Способ поиска неисправностей в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений Российский патент 2018 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.2435189, Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2009123999/08; заявл. 23.06.2009; опубл. 27.11.2011. Бюл. №33).

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

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является 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 позволяет находить только неисправности в виде изменения топологических связей, то есть обрыва или появления новых межблочных связей.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является расширение функциональных возможностей способа, связанных с поиском не только топологических дефектов (дефектов, приводящих к обрыву или появлению новых межблочных связей), так и структурных дефектов (неисправностей в виде изменения передаточных функций отдельных блоков (подсистем) всей системы), а также кратных дефектов (различных комбинаций структурных и топологических дефектов системы).

Поставленная задача достигается тем, что регистрируют реакцию заведомо исправной системы ƒ_{j ном}(t),j=1…k на интервале t∈[0, Т_K] в k контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1,…,k, системы, для чего в момент подачи входного сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами e^-αt, где путем подачи на первые входы k блоков перемножения 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 F_jном(α), j=1,…,k, регистрируют, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате введения пробных отклонений каждой из m возможных комбинаций структурных и топологических состояний (добавляется дефект/дефекты в структурный блок/блоки и/или удаляется существующая межблочная связь/связи либо вводится новая межблочная связь/связи), для чего поочередно для каждой возможной комбинации динамических блоков и топологических связей системы вводят пробные отклонения параметров структурных блоков и/или состояний топологических связей и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра α и входного сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждого из m пробных отклонений P_ji(α), j=1,…,k; i=1,…,m, регистрируют, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих структурных блоков и/или состояний топологических связей блоков динамической системы ΔР_ji(α)=Р_ji(α)-F_jном(α), j=1,…,k; i=1,…,m, определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих структурных блоков и/или состояний топологических связей из соотношения , замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный входной сигнал x(t), определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(α), j=1,…,k для параметра α, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_jном(α), j=1,…, k, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы из соотношения , определяют диагностические признаки из соотношения , i=1,…, m, по минимуму диагностического признака определяют кратный структурный и/или топологический дефект.

Таким образом, предлагаемый способ поиска комбинации дефектов структурных блоков и неисправных топологических связей блоков сводится к выполнению следующих операций:

1. В качестве динамической системы рассматривают систему, состоящую из произвольно соединенных динамических блоков, с количеством рассматриваемых комбинаций структурных и топологических состояний m.

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 параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения .

4. Фиксируют число контрольных точек k.

5. Предварительно определяют нормированные векторы деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров структурных блоков и/или состояний топологических связей между блоками каждой из m комбинации динамических блоков и топологических связей системы для номинальных состояний комбинации динамических блоков и топологических связей системы и определенного выше параметра α, для чего выполняют пункты 6-10.

6. Подают входной 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_{j ном}(t), j=1,…,k, на интервале t∈[0, Т_К] в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1,…,k, системы. Для этого в момент подачи тестового сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами е^-αt, где , для чего сигналы системы управления подают на первые входы k блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал e^-αt, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы к блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном (α), j=1,…, k регистрируют.

8. Определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате каждой из m комбинаций динамических блоков и топологических связей системы, для чего поочередно изменяют состояние каждой комбинации динамических блоков и топологических связей динамической системы (например, изменяют параметры одного или нескольких блоков и/или меняют связь одного или нескольких блоков с соседними из состояния «есть связь» в состояние «нет связи» или наоборот) 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 каждого из m пробных отклонений P_ji(α), j=1,…, k; i=1,…,m, регистрируют.

9. Определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений комбинаций динамических блоков и топологических связей динамической системы ΔP_ji(α)=P_ji(α)-F_jном(α), j=1,…, k; i=1,…, m.

10. Определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений комбинаций динамических блоков и топологических связей 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 F_j(α), j=1,…,k, осуществляя операции, описанные в пунктах 6 и 7 применительно к контролируемой системе.

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

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

15. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправных структурных блоков и/или топологических связей по формуле

, i=1,…,m.

16. По минимуму значения диагностического признака определяют кратный структурный и/или топологический дефект.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска комбинации структурных и топологических дефектов для системы, схема которой представлена на рисунке (см. чертеж. Структурная схема объекта диагностирования).

Передаточные функции блоков:

; ; ,

номинальные значения параметров: T₁=5 с; k₁=1; k₂=1; Т₂=1 с; k₃=1; Т₃=5 с. При поиске комбинации структурного и топологического дефекта в виде отклонения постоянной времени T₁=4 с в первом звене (дефект №1), путем подачи ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегрального преобразования сигналов для параметра α=0.5 и Т_к=10 с получены значения диагностических признаков на основе пробных отклонений параметров модели при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J₁=0 (дефект в первом блоке); J₂=0.7904 (обрыв связи между первым и вторым блоком); J₃=0.8862 (дефект в первом блоке и обрыв связи между первым и вторым блоком); J₄=0.08986 (дефект во втором блоке и обрыв связи между третьим и первым блоком); J₅=0.0863 (дефект во втором и третьем блоке, а также обрыв связи между вторым и третьим, третьим и первым блоком). Минимальное значение признака J₁ однозначно указывает на наличие дефекта в первом блоке, а разность между пятым и первым признаками может количественно характеризовать практическую (апостериорную) различимость этого дефекта.

При поиске комбинации структурного и топологического дефекта в виде обрыва связи между первым и вторым звеньями (дефект №2) для данного объекта диагностирования, путем подачи ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды, при том же параметре интегрирования α и при том же времени контроля Т_к, получены значения диагностических признаков на основе пробных отклонений состояний топологической связи при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J₁=0.7904 (дефект в первом блоке); J₂=0 (обрыв связи между первым и вторым блоком); J₃=0.007189 (дефект в первом блоке и обрыв связи между первым и вторым блоком); J₄=0.7086 (дефект во втором блоке и обрыв связи между третьим и первым блоком); J₅=0.6724 (дефект во втором и третьем блоке, а также обрыв связи между вторым и третьим, третьим и первым блоком). Минимальное значение признака J₂ однозначно указывает на изменение топологической связи между первым и вторым блоком.

Моделирование процессов поиска комбинации структурного (в виде отклонения постоянной времени T₁=4 с в первом звене) и топологического дефекта в виде обрыва связи между первым и вторым звеньями (дефект №3) для данного объекта диагностирования, при том же параметре интегрирования α и при единичном ступенчатом входном сигнале дает следующие значения диагностических признаков на основе пробных отклонений параметров модели и состояний топологической связи при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J₁=0.8862 (дефект в первом блоке); J₂=0.01715 (обрыв связи между первым и вторым блоком); J₃=0 (дефект в первом блоке и обрыв связи между первым и вторым блоком); J₄=0.8194 (дефект во втором блоке и обрыв связи между третьим и первым блоком); J₅=0.7836 (дефект во втором и третьем блоке, а также обрыв связи между вторым и третьим, третьим и первым блоком).

Моделирование процессов поиска комбинации структурного (в виде отклонения коэффициента усиления k₂=0.8 во втором звене) и топологического дефекта в виде обрыва связи между третьим и первым звеньями (дефект №4) для данного объекта диагностирования, при том же параметре интегрирования α и при единичном ступенчатом входном сигнале дает следующие значения диагностических признаков на основе пробных отклонений параметров модели и состояний топологической связи при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J₁=0.03641 (дефект в первом блоке); J₂=0.617 (обрыв связи между первым и вторым блоком); J₃=0.6974 (дефект в первом блоке и обрыв связи между первым и вторым блоком); J₄=0 (дефект во втором блоке и обрыв связи между третьим и первым блоком); J₅=0.06111 (дефект во втором и третьем блоке, а также обрыв связи между вторым и третьим, третьим и первым блоком).

Моделирование процессов поиска комбинации структурного (в виде отклонения коэффициентов усиления k₂=0.8 во втором звене и k₃=0.8 в третьем звене) и комбинации топологического дефекта в виде обрывов связей между вторым и третьим, а также третьим и первым звеньями (дефект №5) для данного объекта диагностирования, при том же параметре интегрирования α и при единичном ступенчатом входном сигнале дает следующие значения диагностических признаков на основе пробных отклонений параметров модели и состояний топологической связи при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J₁=0.1138 (дефект в первом блоке); J₂=0.5813 (обрыв связи между первым и вторым блоком); J₃=0.6599 (дефект в первом блоке и обрыв связи между первым и вторым блоком); J₄=0.07486 (дефект во втором блоке и обрыв связи между третьим и первым блоком); J₅=0 (дефект во втором и третьем блоке, а также обрыв связи между вторым и третьим, третьим и первым блоком).

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

Изобретение относится к диагностике систем автоматического управления. В способе поиска неисправностей в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений фиксируют неисправности, определяют время контроля и параметр преобразования сигналов. В качестве динамических характеристик используют интегральные оценки сигналов. Фиксируют контрольные точки системы, регистрируют реакцию объекта диагностирования и заведомо исправной системы и определяют оценки сигналов исправной системы. В качестве пробных отклонений рассматривают общее количество комбинаций структурных и топологических неисправностей. Определяют оценки выходных сигналов модели для каждой контрольной точки. Изменяют состояние каждой комбинации структурных блоков динамической системы. Регистрируют, определяют деформации оценок сигналов модели. Определяют нормированные значения деформаций оценок сигналов модели и диагностические признаки. По минимуму диагностического признака определяют комбинацию кратного структурного и топологического дефекта. Расширяются функциональные возможности способа. 1 ил.

Способ поиска неисправностей в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений, основанный на том, что фиксируют число возможных неисправностей m, определяют время контроля Т_К≥Т_ПП, где Т_ПП - время переходного процесса системы, определяют параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения , используют тестовый сигнал на интервале t∈[0, T_К], в качестве динамических характеристик системы используют интегральные оценки сигналов, полученные для вещественных значений параметра интегрального преобразования α, фиксируют число k контрольных точек системы, регистрируют реакцию объекта диагностирования ƒ_j(t), j=1, …, k, и реакцию заведомо исправной системы ƒ_jном(t), j=1, …, k, на интервале t∈[0, T_К] в k контрольных точках, определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1, …, k, исправной 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, где , 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 F_jном(α), j=1, …, k, регистрируют, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате каждого из m пробных отклонений и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра α и входного сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждого из m пробных отклонений P_ji(α), j=1, …, k; i=1, …, m, регистрируют, 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 F_j(α), j=1, …, k, для параметра α, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_jном(α), j=1, …, k, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы из соотношения , отличающийся тем, что в качестве количества пробных отклонений m рассматривают общее количество возможных комбинаций структурных и топологических неисправностей, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате каждого из m пробных отклонений параметров модели и/или состояний топологических связей, для чего поочередно изменяют состояние каждой комбинации структурных блоков и/или топологических связей блоков динамической системы, для которых находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра α и входного сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждого из m пробных отклонений параметров структурных блоков модели и/или состояний топологических связей P_ji(α), j=1, …, k; i=1, …, m, регистрируют, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих структурных блоков и/или состояний топологических связей динамических блоков системы ΔP_ji(α)=P_ji(α)-F_jном(α), j=1, …,k; i=1, …, m, определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков модели и/или состояний топологических связей блоков из соотношения , определяют диагностические признаки из соотношения , i=1, …, m, по минимуму диагностического признака определяют комбинацию кратного структурного и топологического дефекта.