СПОСОБ ПОИСКА НЕИСПРАВНОГО БЛОКА В НЕПРЕРЫВНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ НА ОСНОВЕ СМЕНЫ ПОЗИЦИИ ВХОДНОГО СИГНАЛА Российский патент 2015 года по МПК G05B23/02 

Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов.

Известен способ поиска неисправного блока в динамической системе (Способ поиска неисправного блока в динамической системе: пат. РФ 2439648, МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2010142159/08; заявл. 13.10.2010; опубл. 10.01.2012, Бюл. №1).

Недостатком этого способа является то, что он использует задание величин относительных отклонений параметров передаточных функций для моделей с пробными отклонениями.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала (Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала: пат. РФ 2528135, МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С. - №2013144231/08; заявл. 01.10.2013; опубл. 10.09.2014, Бюл. №25).

Недостатком этого способа является то, что он обеспечивает определение дефектов с невысокой различимостью, то есть обладает невысокой помехоустойчивостью.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение помехоустойчивости способа диагностирования непрерывных систем автоматического управления путем улучшения различимости дефектов. Это достигается путем применения многократного вычисления интегральных оценок динамических характеристик для нескольких различных значений параметра интегрирования α₁, α₂…α_n.

Поставленная задача достигается тем, что регистрируют реакцию заведомо исправной системы f_jном(t), j=1,…, k, на интервале t ∈ [0, Т_К] в k контрольных точках и многократно определяют (одновременно) интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α_l), j=1,…, k; l=1,…, n, системы для n значений параметра интегрирования α_l, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование выходных сигналов системы управления для n параметров интегрирования в каждой из k контрольных точек с весами $$e^{-{\alpha }_{l}t}$$ путем подачи на первые входы k·n блоков перемножения выходных сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальные сигналы $$e^{-{\alpha }_{l}t}$$ для n блоков интегрирования, выходные сигналы k·n блоков перемножения подают на входы k·n блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_К, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(α_l), j=1,…, k; l=1,…, n, регистрируют, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, n параметров интегрирования и каждой из m позиций входного сигнала, полученные в результате смены позиции входного сигнала после каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы перемещают место подачи входного сигнала на выход каждого блока, подают через сумматор входной сигнал и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для n параметров α_l и тестового сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек каждой из m моделей с различной (зафиксированной на выходах разных блоков) позицией входного сигнала Y_ji(α_l), j=1,…, k; i=1,…, m; l=1,…, n, регистрируют, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков ΔY_ji(α_l)=Y_ji(α_l)-F_jном(α_l), j=1,…, k; i=1,…, m; l=1,…, n, определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков из соотношения

замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и для n параметров интегрирования α_l: F_j(α_l), j=1,…, k; l=1,…, n, определяют деформации интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования от номинальных значений ΔF_j(α_l)=F_j(α_l)-F_jном(α_l), j=1,…, k; l=1,…, n, определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок сигналов контролируемой системы для n параметров интегрирования из соотношения

определяют диагностические признаки при n параметрах интегрирования из соотношения:

по минимуму значения диагностического признака определяют неисправный блок.

Таким образом, предлагаемый способ поиска неисправного блока сводится к выполнению следующих операций:

1. В качестве динамической системы рассматривают систему, состоящую из произвольно соединенных m динамических элементов.

2. Предварительно определяют время контроля Т_К≥Т_ПП, где Т_ПП - время переходного процесса системы. Время переходного процесса оценивают для номинальных значений параметров динамической системы.

3. Определяют n параметров кратных 5/Т_К многократного интегрирования сигналов.

4. Фиксируют число контрольных точек k.

5. Предварительно определяют нормированные векторы ΔY_i(α_l) деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате смены позиции входного сигнала на позицию после i-го блока каждого из m блоков для номинальных значений параметров передаточных функций блоков и n определенных выше параметров α_l для чего выполняют пункты 6-10.

6. Подают тестовый сигнал x(t) (единичный ступенчатый, линейно возрастающий, прямоугольный импульсный и т.д.) на вход системы управления с номинальными характеристиками. Принципиальных ограничений на вид входного тестового воздействия предлагаемый способ не предусматривает.

7. Регистрируют реакцию системы f_jном(t), j=1,…, k на интервале t ∈ [0, Т_К] в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α_l), j=1,…, k; l=1,…, n системы. Для этого в момент подачи тестового сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование (при n параметрах α_l) выходных сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами $$e^{-{\alpha }_{l}t}$$ , для чего выходные сигналы системы управления подают на первые входы k·n блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальные сигналы $$e^{-{\alpha }_{l}t}$$ , выходные сигналы k·n блоков перемножения подают на входы k·n блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_К, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(α_l), j=1,…, k; l=1,…, n, регистрируют.

8. Определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек и каждого из n значений параметра интегрирования, α_l, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы перемещают позицию входного сигнала на выход блока, подают через сумматор входной сигнал и выполняют пункты 6 и 7 для одного и того же входного сигнала x(t). Полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждой из m моделей с перемещенной позицией входного сигнала Y_ji(α_l), j=1,…, k; i=1,…, m; l=1,…, n, регистрируют.

9. Определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала от входа на позицию после каждого из соответствующих блоков ΔY_ji(α_l)=Y_ji(α_l)-F_jном(α_l), j=1,…, k; i=1,…, m;l=1,…, n.

10. Определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после соответствующих блоков по формуле:

.

11. Замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой. На вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t).

12. Определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования F_j(α_l), j=1,…, k; l=1,…, n, осуществляя операции, описанные в пунктах 6 и 7, применительно к контролируемой системе.

13. Определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования от номинальных значений ΔF_j(α_l)=F_j(α_l)-F_jном(α_l), j=1,…, k; l=1,…, n.

14. Вычисляют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы по формуле:

.

15. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправного блока (при n параметрах интегрирования) по формуле (3).

16. По минимуму значения диагностического признака определяют дефектный блок.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска одиночного дефекта для системы, структурная схема которой представлена на чертеже.

Передаточные функции блоков: $$W_1=\frac{k_1(T_{1}p+1)}{p}$$ ; $$W_2=\frac{k_2}{T_{2}p+1}$$ ; $$W_3=\frac{k_3}{T_{3}p+1}$$ ,

где номинальные значения параметров: Т₁=5 с; k₁=l; k₂=l; Т₂=1 с; k₃=1; Т₃=5 с.

При моделировании в качестве входного сигнала будем использовать единичное ступенчатое воздействие. Время контроля Т_К выберем равным 10 с.

Моделирование процессов поиска дефектов в первом блоке (в виде уменьшения параметра T₁ на 20%) приводит к вычислению диагностических признаков при двух параметрах интегрирования (α₁=0,1 и α₂=2,5) по формуле (3): J₁=0,0005, J₂=0,8258, J₃=0,1086. Различимость дефекта: ΔJ=J₃-J₁=0,108.

Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного блока при одном параметре интегрирования α=0,5 (Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала: пат. РФ 2528135, МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С. - №2013144231/08; заявл. 01.10.2013; опубл. 10.09.2014, Бюл. №25): J₁=0, J₂=0,78, J₃=0,074. Различимость дефекта ΔJ=J₃-J₁=0,074.

Приведенные результаты показывают, что фактическая различимость нахождения дефектов этим способом выше, следовательно, выше будет и помехоустойчивость способа.

Изобретение относится к контролю и диагностированию систем автоматического управления. Технический результат - улучшение помехоустойчивости. Он достигается тем, что в дополнение к известному способу определяют n параметров интегрирования сигналов, кратных $$\frac{5}{{Т}_{К}}$$ ; определяют интегральные оценки выходных сигналов системы и выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек и n параметров интегрирования, для чего поочередно для каждого блока динамической системы перемещают место подачи входного сигнала на выход каждого блока, подают через сумматор входной сигнал и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для n параметров α_l и тестового сигнала; определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели; определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели; для k контрольных точек контролируемой системы и n параметров интегрирования определяют интегральные оценки выходных сигналов, деформации интегральных оценок выходных сигналов, нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы; определяют диагностические признаки, по минимуму которых определяют неисправный блок. 1 ил.

Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала, основанный на том, что фиксируют число m динамических элементов, входящих в состав системы, определяют время контроля Т_К≥Т_ПП, используют параметр интегрирования сигналов α, используют тестовый сигнал на интервале t∈[0, Т_К], в качестве динамических характеристик системы используют интегральные оценки, полученные для вещественных значений α переменной Лапласа, фиксируют число k контрольных точек системы, регистрируют реакцию объекта диагностирования и модели, регистрируют реакцию заведомо исправной системы f_{j ном}(t), j=1, …, k, на интервале t∈[0, Т_К] в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов системы, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование выходных сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами e^-αt путем подачи на первые входы k блоков перемножения выходных сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал e^-αt, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_К, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов регистрируют, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате смены позиции входного сигнала после каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы перемещают место подачи входного сигнала на выход каждого блока, подают через сумматор входной сигнал и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра α и тестового сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждой из m моделей с различной (зафиксированной на выходах разных блоков) позицией входного сигнала регистрируют, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков, определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек для параметра α, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений, определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы, определяют диагностические признаки, по минимуму диагностического признака определяют неисправный блок, отличающийся тем, что определяют n параметров интегрирования сигналов, кратных $$\frac{5}{{Т}_{К}}$$ , в качестве динамических характеристик системы используют интегральные оценки, полученные для n вещественных значений α_l, и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(α_l), j=1, …, k, l=1, …, n, системы, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование выходных сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек для n параметров интегрирования с весами $$e^{-{\alpha }_{l}t}$$ , l=1, …, n, путем подачи на первые входы k·n блоков перемножения выходных сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальные сигналы $$e^{-{\alpha }_{l}t}$$ , l=1, …, n, выходные сигналы k·n блоков перемножения подают на входы k·n блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_К, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n, регистрируют, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек и n параметров интегрирования, полученные в результате смены позиции входного сигнала после каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы перемещают место подачи входного сигнала на выход каждого блока, подают через сумматор входной сигнал и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для n параметров α_l и тестового сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек каждой из m моделей с различной (зафиксированной на выходах разных блоков) позицией входного сигнала Y_ji(α_l), j=1, …, k; i=1, …, m; l=1, …, n, регистрируют, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков
ΔY_ji(α_l)=Y_ji(α_l)-F_{j ном}(α_l), j=1, …, k; i=1, …, m; l=1, …, n,
определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков из соотношения: $$\Delta {\stackrel{\wedge }{Y}}_{ji}({\alpha }_l)=\frac{\Delta Y_{ji}({\alpha }_l)}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{r=1}^k\Delta Y_{ri}^2({\alpha }_l)}}}$$ , определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования F_j(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования от номинальных значений ΔF_j(α_l)=F_j(α_l)-F_{j ном}(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n, определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы из соотношения: $$\Delta {\stackrel{\wedge }{F}}_j({\alpha }_l)=\frac{\Delta F_j({\alpha }_l)}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{r=1}^k\Delta F_r^2({\alpha }_l)}}}$$ , определяют диагностические признаки из соотношения: $$J_i=\frac{1}{n}{\displaystyle \sum _{l=1}^n\left\{1-{\left[{\displaystyle \sum _{j=1}^k\Delta \stackrel{}{{\stackrel{\wedge }{Y}}_{ji}({\alpha }_l)\cdot \Delta \stackrel{\wedge }{F_j}({\alpha }_l)}}\right]}^2\right\}}$$ , i=1, …, m, по минимуму диагностического признака определяют неисправный блок.