СПОСОБ ПОИСКА НЕИСПРАВНОГО БЛОКА В ДИСКРЕТНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ НА ОСНОВЕ СМЕНЫ ПОЗИЦИИ ВХОДНОГО СИГНАЛА Российский патент 2016 года по МПК G05B23/02 

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

Известен способ поиска неисправного блока в дискретной динамической системе (Способ поиска неисправного блока в дискретной динамической системе: патент 2444774 РФ, МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С. - №2011101271/08; заявл. 13.01.2011; опубл. 10.03.2012, бюл. №7).

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. 2528135 РФ, 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 только в непрерывной динамической системе.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является применение способа для поиска дефектов в дискретной динамической системе с произвольным соединением блоков.

Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной дискретной во времени системы fj_ном(t), j=1,..., k для N дискретных тактов диагностирования t∈[1,N] с дискретным постоянным шагом T_S на интервале наблюдения [0,T_k] (где T_k=T_S·N) в k контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов дискретной системы, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход дискретной системы с номинальными характеристиками одновременно начинают дискретное интегрирование выходных сигналов системы управления с шагом Ts секунд в каждой из k контрольных точек с дискретными весами с шагом T_S секунд, где , путем подачи на первые входы k блоков перемножения выходных сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают дискретный экспоненциальный сигнал с шагом T_S секунд, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков дискретного интегрирования с шагом T_S секунд, дискретное интегрирование завершают в момент времени Т_К, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1, …, k регистрируют, фиксируют число m рассматриваемых одиночных дефектов блоков, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек 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 дискретной динамической системы перемещают место подачи входного сигнала на выход каждого блока, подают через сумматор входной сигнал и находят дискретные интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра α и тестового сигнала x(t), полученные в результате дискретного 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 j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов дискретной модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков ΔY_ji(α)=Y_ji(α)-F_jном(α), j=1, …, k; i=1, …, m, определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов дискретной 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 выходных сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек F_j(α), j=1, …, k для параметра дискретного интегрального преобразования α, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)F_j(α)-F_jном(α), j=1, …, k, определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов контролируемой дискретной системы из соотношения

определяют диагностические признаки из соотношения

по минимуму значения диагностического признака определяют порядковый номер дефектного блока.

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

1. В качестве дискретной динамической системы рассматривают систему, например, с дискретной интерполяцией нулевого порядка, с шагом дискретизации T_S, состоящую из произвольно соединенных динамических блоков, с количеством рассматриваемых одиночных дефектов блоков m.

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

3. Определяют параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения

4. Фиксируют число контрольных точек k.

5. Предварительно определяют нормированные векторы ΔY_i(α) деформаций интегральных оценок выходных сигналов дискретной 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 определенного выше параметра α, 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∈[1, N] с дискретным шагом T_S секунд на интервале наблюдения [0, T_k] (где T_k=T_S·N) в k контрольных точках и определяют дискретные интегральные оценки выходных сигналов j=1, …, k системы. Для этого в момент подачи тестового сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают дискретное интегрирование выходных сигналов системы управления с шагом T_S секунд в каждой из k контрольных точек с дискретными весами , с дискретным шагом T_S секунд, где для чего выходные сигналы системы управления подают на первые входы k блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают дискретный экспоненциальный сигнал с шагом T_S секунд, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков дискретного интегрирования с шагом T_S секунд, дискретное интегрирование завершают в момент времени Т_К, полученные в результате дискретного интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1, …, k регистрируют.

8. Определяют интегральные оценки выходных сигналов дискретной модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока дискретной 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 дискретного интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждой из m моделей с перемещенной позицией входного сигнала Y_ji(α), j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют.

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

10. Определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов дискретной 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 дискретной системы для k контрольных точек j=1,…, k, осуществляя операции, описанные в пунктах 6 и 7 применительно к контролируемой системе.

13. Определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_jном(α), j=1, …, k.

14. Вычисляют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой дискретной системы по формуле:

15. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправного структурного блока по формуле (3).

16. По минимуму значения диагностического признака определяют дефектный блок.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска дефекта для дискретной системы, структурная схема которой представлена на рисунке (см. фиг.).

Дискретные передаточные функции блоков:

номинальные значения параметров: k₁=5; Z₁=0.98; k₂=0.09516; Q₂=0.9048; k₃=0.0198; Q₃=0.9802. При поиске одиночного структурного дефекта в виде отклонения параметра первого блока на 10% (Q₁=0.8), при подаче ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегральных оценок сигналов для параметра α=0.5 и Т_К=10 с, при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков, путем смены позиции входного сигнала получены значения диагностических признаков по формуле (3): J₁=0.056; J₂=0.177; J₃=0.090. Разность между третьим и первым диагностическим признаком может характеризовать апостериорную (практическую) различимость дефекта: ΔJ=J₃-J₁=0.034.

Моделирование процессов поиска структурного дефекта при других случаях его проявления для данного дискретного объекта диагностирования, при том же параметре интегрального преобразования  и при единичном ступенчатом входном сигнале дает следующие значения диагностических признаков.

При наличии дефекта в блоке №2 (в виде уменьшения параметра Q₂ на 10%, дефект №2): J₁=0.616; J₂=0.422; J₃=0.579. Различимость дефекта: ΔJ=J₃-J₂=0.157.

При наличии дефекта в блоке №3 (в виде уменьшения параметра Q₃ на 10%, дефект №3): J₁=0.081; J₂=0.156; J₃=0.039. ΔJ=J₁-J₃=0.043.

Минимальное значение диагностического признака во всех случаях правильно указывает на дефектный блок.

Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов. Предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной дискретной во времени системы для дискретных тактов диагностирования с дискретным постоянным шагом на интервале наблюдения в контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов дискретной системы. Для этого в момент подачи тестового сигнала на вход дискретной системы с номинальными характеристиками одновременно начинают дискретное интегрирование выходных сигналов системы управления в каждой из контрольных точек с дискретными весами путем подачи на первые входы блоков перемножения выходных сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают дискретный экспоненциальный сигнал, выходные сигналы блоков перемножения подают на входы блоков дискретного интегрирования. Дискретное интегрирование завершают в момент времени, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов регистрируют, фиксируют число рассматриваемых одиночных дефектов блоков, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из контрольных точек и каждой из позиций входного сигнала, полученные в результате смены позиции входного сигнала после каждого из блоков. Для этого поочередно для каждого блока дискретной динамической системы перемещают место подачи входного сигнала на выход каждого блока, подают через сумматор входной сигнал и находят дискретные интегральные оценки выходных сигналов системы для тестового сигнала, полученные в результате дискретного интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из контрольных точек и каждой из моделей с различной позицией входного сигнала регистрируют, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов дискретной модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков. Определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов дискретной 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. Определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой дискретной системы для контрольных точек. Определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов контролируемой дискретной системы для контрольных точек от номинальных значений. Определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов контролируемой дискретной системы. Определяют диагностические признаки, по минимуму значения диагностического признака определяют порядковый номер дефектного блока. Технический результат заключается в возможности применения способа для поиска дефектов в дискретной динамической системе с произвольным соединением блоков. 1 ил.

Способ поиска неисправного блока в дискретной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала, основанный на том, что фиксируют число блоков m, входящих в состав системы, определяют время контроля $$T_k\ge T_{ПП}$$ , определяют параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения $$\alpha =\frac{5}{T_{К}}$$ , используют входной сигнал на интервале $$[\mathrm{0,}{T}_k]$$ , в качестве динамических характеристик системы используют интегральные оценки выходных сигналов, фиксируют число k контрольных точек системы, регистрируют реакцию объекта диагностирования и реакцию заведомо исправной системы $$f_{jном}(t)$$ , $$j=\mathrm{1,...,}k$$ на интервале $$[\mathrm{0,}{T}_k]$$ в k контрольных точках, определяют интегральные оценки выходных сигналов $$F_{jном}(\alpha )$$ , $$j=\mathrm{1,...,}k$$ 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 экспоненциальными весами для параметра $$\alpha$$ , где $$\alpha =\frac{5}{T_{К}}$$ путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал, 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 $$F_{jном}(\alpha )$$ , $$j=\mathrm{1,...,}k$$ 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 входного сигнала x, 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 $$Y_{ji}(\alpha )$$ $$j=\mathrm{1,...,}k$$ ; $$i=\mathrm{1,...,}m$$ регистрируют, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков $$\Delta Y_{ji}(\alpha )=Y_{ji}(\alpha )-F_{jном}(\alpha )$$ , $$j=\mathrm{1,...,}k$$ ; $$i=\mathrm{1,...,}m$$ , определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков $$\Delta {\widehat{Y}}_{ji}(\alpha \text{})=\frac{\Delta Y_{ji}(\alpha \text{})}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{n=1}^k\Delta Y_{ni}^2(\alpha \text{})}}}$$ , замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x, определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек $$F_j(\alpha )$$ , $$j=\mathrm{1,...,}k$$ для параметра $$\alpha$$ , определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений $$\Delta F_j(\alpha )=F_j(\alpha )-F_{jном}(\alpha )$$ , $$j=\mathrm{1,...,}k$$ , определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы из соотношения $$\Delta {\widehat{F}}_j(\alpha \text{})=\frac{\Delta F_j(\alpha \text{})}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{n=1}^k\Delta F_n^2(\alpha \text{})}}}$$ , определяют диагностические признаки из соотношения $$J_i=1-{\left[{\displaystyle \sum _{j=1}^k\Delta {\widehat{Y}}_{ji}(\alpha \text{})\cdot \Delta {\widehat{F}}_j(\alpha \text{})}\right]}^2$$ , $$i=\mathrm{1,...,}m$$ , по минимуму диагностического признака определяют дефект, отличающийся тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной дискретной во времени системы $$f_{jном}(t)$$ , $$j=\mathrm{1,...,}k$$ для N дискретных тактов диагностирования $$t\in [\mathrm{1,}N]$$ с дискретным постоянным шагом T_s на интервале наблюдения $$[\mathrm{0,}{T}_k]$$ (где $$T_k=T_s\cdot N$$ ) в k контрольных точках, определяют интегральные оценки выходных сигналов $$F_{jном}(\alpha \text{})={\displaystyle \sum _{t=1}^N{f}_{jном}(t)\cdot e^{-\alpha \cdot t\cdot T_S}}$$ , $$j=\mathrm{1,...,}k$$ дискретной системы, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход дискретной системы с номинальными характеристиками одновременно начинают дискретное интегрирование выходных сигналов системы управления с шагом T_s секунд в каждой из k контрольных точек с дискретными весами $$e^{-\alpha \text{}t{T}_S}$$ с шагом T_s секунд, где $$\alpha =\frac{5}{T_{К}}$$ , путем подачи на первые входы k блоков перемножения выходных сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают дискретный экспоненциальный сигнал $$e^{-\alpha \text{}t{T}_S}$$ с шагом T_s секунд, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков дискретного интегрирования с шагом T_s секунд, дискретное интегрирование завершают в момент времени Т_К, полученные в результате дискретного интегрирования оценки выходных сигналов $$F_{jном}(\alpha \text{})={\displaystyle \sum _{t=1}^N{f}_{jном}(t)\cdot e^{-\alpha \cdot t\cdot T_S}}$$ , $$j=\mathrm{1,...,}k$$ 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 дискретной 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 дискретного интегрального преобразования α и входного сигнала x, полученные в результате дискретного 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 $$Y_{ji}(\alpha \text{})={\displaystyle \sum _{t=1}^N{f}_{ji}(t)\cdot e^{-\alpha \cdot t\cdot T_S}}$$ , $$j=\mathrm{1,...,}k$$ ; $$i=\mathrm{1,...,}m$$ регистрируют, по минимуму диагностического признака определяют дефектный блок дискретной системы.