Способ поиска топологического дефекта в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений Российский патент 2017 года по МПК G05B23/02 

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

Известен способ поиска неисправностей в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений (Способ поиска неисправностей в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений: пат. 2541857 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С. - №2013149468/08; заявл. 06.11.2013; опубл. 20.02.2015, бюл. №5).

Недостатком этого способа является то, что он обеспечивает определение топологических дефектов только в режиме тестового диагностирования без применения рабочего и высокими вычислительными затратами из-за использования весовой функции.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправного блока в динамической системе (Способ поиска неисправного блока в динамической системе: пат. 2451319 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Воронин В.В., Киселев В.В., Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2011129533/08; заявл. 15.07.2011; опубл. 20.05.2012, бюл. №14).

Недостатком этого способа является то, что он позволяет находить только неисправности в виде изменения передаточных функций отдельных блоков (подсистем) всей системы.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является расширение функциональных возможностей способа, связанных с поиском топологических дефектов, то есть дефектов, приводящих к обрыву или появлению новых межблочных связей, путем применения рабочего диагностирования и уменьшение программных или аппаратных затрат на вычисление весовой функции.

Поставленная задача достигается тем, что регистрируют реакцию заведомо исправной системы , j=1, …, k на интервале t ∈ [0, T_K] в k контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(d), j=1, …, k системы, для чего в момент подачи тестового или рабочего сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование выходных сигналов этой системы для каждой из k контрольных точек с весовой функцией, равной среднему арифметическому значению модулей производных по времени от выходных сигналов системы в различных контрольных точках, где усреднение производится по числу контрольных точек, из соотношения , . Для этого на первые входы k блоков перемножения подают выходные сигналы системы, на вторые входы блоков перемножения подают среднее арифметическое значение модулей производных по времени выходных сигналов, 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_{j ном}(d), j=1, …, k регистрируют, одновременно определяют интегральные оценки выходных сигналов m моделей для каждой из k контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений топологических состояний каждой из m возможных связей (удаляется существующая межблочная связь или вводится новая межблочная связь), для чего поочередно для каждой возможной топологической связи динамических блоков системы вводят пробное отклонение состояния топологической связи и находят интегральные оценки выходных сигналов системы с пробными отклонениями при том же тестовом или рабочем сигнале x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек каждого из m пробных отклонений P_ji(d), j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют, одновременно на вход контролируемой системы подают тестовый или рабочий сигнал x(t), определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(d), j=1, …, k, полученные значения регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений состояний соответствующих топологических связей блоков динамической системы ΔP_ji(d)=P_ji(d)-F_{j ном}(d), j=1, …, k; i=1, …, m, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений состояний соответствующих топологических связей из соотношения , определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек ΔF_j(d)=F_j(d)-F_{j ном}(d), j=1, …, k, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы , определяют диагностические признаки: , i=1, …, m, по минимуму значения диагностического признака определяют топологический дефект.

Таким образом, предлагаемый способ поиска неисправной топологической связи блоков системы сводится к выполнению следующих операций:

1. В качестве динамической системы рассматривают систему, состоящую из произвольно соединенных динамических элементов с количеством рассматриваемых изменений топологических связей блоков m.

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

3. Фиксируют число контрольных точек k.

4. Одновременно подают тестовый сигнал x(t) (единичный ступенчатый) или рабочий сигнал на вход системы управления с номинальными параметрами, на вход контролируемой системы, на входы m моделей с состояниями топологических связей блоков каждой из m топологических связей блоков для номинальных состояний топологических связей блоков.

5. Одновременно регистрируют реакцию системы с номинальными характеристиками , реакцию контролируемой системы , реакции моделей с пробными отклонениями состояний топологических связей в k контрольных точках j=1, …, k на интервале t ∈ [0, T_K].

6. Одновременно определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(d), j=1, …, k системы с номинальными характеристиками, контролируемой системы F_j(d), j=1, …, k, моделей с пробными отклонениями состояний топологических связей, для чего поочередно изменяют состояние каждой топологической связи блоков динамической системы (например, с состояния «есть связь» в состояние «нет связи» или наоборот) P_ji(d), j=1, …, k; i=1, …, m. Для этого в момент подачи входного сигнала одновременно начинают интегрирование выходных сигналов в каждой из к контрольных точек системы с номинальными характеристиками, контролируемой системы, моделей с пробными отклонениями состояний топологических связей с весовой функцией, равной среднему арифметическому значению модулей производных по времени от выходных сигналов системы в различных контрольных точках, из соотношения , , для чего выходные сигналы каждой системы подают на первые входы k блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают среднее арифметическое значение модулей производных по времени от выходных сигналов системы в различных контрольных точках, где усреднение производится по числу контрольных точек выходных сигналов системы, 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_{j ном}(d), j=1, …, k, F_j(d), j=1, …, k, P_ji(d), j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют.

7. Определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений состояний топологических связей блоков динамической системы:

ΔP_ji(d)=P_ji(d)-F_{j ном}(d), j=1, …, k; i=1, …, m.

8. Определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений состояний соответствующих топологических связей блоков по формуле:

9. Определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(d)=F_j(d)-F_{j ном}(d), j=1, …, k.

10. Вычисляют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы по формуле:

11. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправной топологической связи блоков системы по формуле:

12. По минимуму значения диагностического признака определяют топологический дефект.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска топологического дефекта в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений, структурная схема которой представлена на рисунке (см. фиг. Структурная схема объекта диагностирования).

Передаточные функции блоков:

где номинальные значения параметров: T₁=5 с; K₁=1; К₂=1; Т₂=1 с; К₃=1; Т₃=5 с.

При моделировании в качестве входного сигнала будем использовать псевдослучайный сигнал (при моделировании использовался блок Band-Limited White Noise в среде Matlab). Время контроля выберем Т_к равным 10 с.

При поиске топологического дефекта в виде обрыва связи между первым и вторым звеньями (дефект №1) получены значения диагностических признаков на основе пробных отклонений состояний топологической связи при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J₁=0; J₂=0.5918 (обрыв связи между вторым и третьим блоком); J₃=0.6644 (обрыв связи между третьим и первым блоком). Минимальное значение признака J₁ однозначно указывает на наличие изменения топологической связи между первым и вторым блоком.

Моделирование процессов поиска топологических дефектов связей между вторым и третьем, а также третьим и первым блоками для данного объекта диагностирования при тех же условиях диагностирования дает следующие значения диагностических признаков:

При наличии дефекта в виде обрыва топологической связи между вторым и третьим блоками: J₁=0.5918; J₂=0; J₃=0.1245.

При наличии дефекта в виде обрыва топологической связи между третьим и первым блоками: J₁=0.6644; J₂=0.1245; J₃=0.

Минимальное значение диагностического признака во всех случаях правильно указывает на наличие топологического дефекта.

Изобретение относится к способу поиска топологического дефекта в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений. Для поиска топологического дефекта определяют время контроля, фиксируют число контрольных точек системы, одновременно подают тестовый или рабочий сигнал на вход системы управления с номинальными параметрами, а также на вход контролируемой системы и на входы моделей с пробными отклонениями топологических связей, одновременно регистрируют реакцию систем и моделей, одновременно определяют интегральные оценки выходных сигналов систем и моделей, отклонения интегральных оценок, нормированные значения отклонений интегральных оценок моделей и контролируемой системы, вычисляют диагностические признаки наличия неисправной топологической связи блоков системы, определяют топологический дефект по минимуму значения диагностического признака. Обеспечивается эффективность поиска топологических дефектов в непрерывной динамической системе. 1 ил.

Способ поиска топологического дефекта в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений, основанный на том, что фиксируют число динамических элементов, входящих в состав системы, определяют время контроля Т_K≥Т_ПП, используют входной сигнал x(t) на интервале t∈[0, Т_К], фиксируют число k контрольных точек системы, регистрируют реакцию контролируемой системы , j=1, …, k регистрируют реакцию системы с номинальными характеристиками , j=1, …, k на интервале t∈[0, T_K] в k контрольных точках, одновременно подают тестовый или рабочий сигнал x(t) на вход системы с номинальными характеристиками, на вход контролируемой системы, на входы m моделей с номинальными характеристиками, в каждую из которых введены пробные отклонения, в качестве динамических характеристик системы используют интегральные оценки, полученные для весовой функции, равной среднему арифметическому модулей производных по времени от выходных сигналов системы в различных контрольных точках, из соотношения , , определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(d), j=1, …, k системы с номинальными характеристиками, для чего в момент подачи входного сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование выходных сигналов системы в каждой из k контрольных точек для весовой функции, путем подачи на первые входы k блоков перемножения выходных сигналов системы, на вторые входы блоков перемножения подают среднее арифметическое модулей производных по времени от выходных сигналов системы с номинальными характеристиками, 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_{j ном}(d), j=1, …, k регистрируют, определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(d), j=1, …, k, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(d)=F_j(d)-F_{j ном}(d), j=1, …, k, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы из соотношения: , аналогично определяют интегральные оценки выходных сигналов m моделей для каждой из k контрольных точек, полученные в результате каждого из m пробных отклонений, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек каждого из m пробных отклонений P_ji(d), j=1, …, k; i=1, …, m используют для вычисления диагностических признаков, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений ΔP_ji(d)=P_ji(d)-F_{j ном}(d), j=1, …, k; i=1, …, m, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений из соотношения: , отличающийся тем, что фиксируют число m пробных отклонений как общее количество рассматриваемых состояний топологических связей, для чего поочередно изменяют состояние каждой топологической связи блоков динамической системы и находят интегральные оценки выходных сигналов системы, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждого из m пробных отклонений состояния топологической связи P_ji(d) j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений состояний соответствующих топологических связей динамических блоков системы ΔP_ji(d)=P_ji(d)-F_{j ном}(d), j=1, …, k; i=1, …, m, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений состояний соответствующих топологических связей блоков из соотношения: , определяют диагностические признаки наличия неисправной топологической связи блоков системы из соотношения: , по минимуму диагностического признака определяют топологический дефект.