Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала 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 непрерывной динамической системе (Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе: пат. 2461861 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С. - №2011140376/08; заявл. 04.10.2011; опубл. 20.09.2012, Бюл. №26).

Недостатком этого способа является то, что он использует вычисление знаков передач сигналов от выходов блоков до контрольных точек.

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 Рос. Федерация: 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 предполагает использование сложных диагностических признаков наличия дефекта в структурном блоке системы.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является уменьшение аппаратных и вычислительных затрат, связанных с реализацией вычисления диагностических признаков наличия дефекта.

Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной системы ƒ_{j ном}(t), j=1, …, k на интервале t∈[0,T_K] в k контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов F _{j ном}(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_{j ном}(α), j=1, …, k регистрируют, фиксируют число m блоков системы, 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 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(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 Y_ji(α), j = 1, …, k; i = 1, …, m 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)=Y_ji(α)-F_{j ном}(α), j=1, …, k; i=1, …, m, определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков singn(ΔY_ji(α)), j=1, …, k; i=1, …, m, 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 интегрирования α, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для к контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_{j ном}(α), j=1, …, k, определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений sign(ΔF_j(α)), j = 1, …, k.

Затем производят операцию попарного сравнения элементов вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков i-го блока sign(ΔY_ji(α)), j=1, …, k; i=1, …, m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k, по формуле:

Поскольку операция ≡ есть операция эквивалентности, то выражение (1) принимает значение 1 только в том случае, когда все элементы векторов sign(ΔY_ji(α)), j=1, …, k и sign(ΔF_j(α)), j = 1, …, k для каждой контрольной точки попарно равны.

Затем производят операцию попарного сравнения элементов инверсии вектора топологических связей i-го блока inv(sign(ΔY_ji(α)), j=1, …, k; i=1, …, m, и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k, по формуле:

Поскольку операция ≡ есть операция эквивалентности, то выражение (2) принимает значение 1 только в том случае, когда все элементы векторов inv(sign(ΔY_ji(α))), j=1, …, k. и sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k, для каждой контрольной точки попарно равны.

Затем производят вычисление бинарных диагностических признаков из соотношения:

Первое слагаемое формулы (3) принимает значение 1, если знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы от номинальных значений совпадают с элементами вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученных в результате перемещения позиции входного сигнала, второе слагаемое формулы (3) принимает значение 1, если знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы от номинальных значений совпадают с инвертированными элементами вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала. Инверсия вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков учитывает возможность проявления дефекта одного и того же блока как со знаком плюс (например увеличение значения параметра блока), так и со знаком минус (например уменьшение значения параметра блока).

По единичному значению бинарного диагностического признака определяют структурный блок с дефектом.

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 блоков.

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 векторы знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели sing(ΔY_i(α)), i = 1, …, m, полученные в результате перемещения 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 ƒ_{j ном}(t), j=1, …, k, на интервале t∈[0,Т_К] в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1, …, k, системы. Для этого в момент подачи тестового сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование выходных сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами e^-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 к блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_κ, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1, …, k регистрируют.

8. Определяют интегральные оценки выходных сигналов 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 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), j=1, …, k; i=1, …, m, регистрируют.

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

10. Определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков sign(ΔY_ji(α)), j=1, …, k; i=1, …, m.

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. Определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k.

15. Производят операцию попарного сравнения элементов вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате смены позиции входного сигнала i-го блока sign(ΔY_ji(α)), j=1, …, k; i =1, …, m, и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k, по формуле:

16. Производят операцию попарного сравнения элементов инверсии вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате смены позиции входного сигнала i-го блока inv(sign(ΔY_ji(α))), j=1, …, k; i=1, …, m, и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k, по формуле:

17. Производят вычисление бинарных диагностических признаков из соотношения:

18. По единичному значению бинарного диагностического признака определяют структурный блок с дефектом.

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

Передаточные функции блоков:

; ; ,

номинальные значения параметров: k₁=1; T₁=5 с; k₂=1; Т₂=1 с; k₃=1; Т₃=5 с.

При поиске одиночного дефекта в виде отклонения постоянной времени Т₁=4с (дефект №1) в первом звене путем подачи ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегральных оценок сигналов для параметра α=0.5 и Т_κ=10 с получены значения бинарных диагностических признаков наличия дефекта по формуле (3) при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков. Дефект, вычисленный по формуле (3), дает следующие значения бинарных диагностических признаков: J₁=1; J₂=0; J₃=0.

Моделирование процессов поиска дефектов во втором и третьем блоках для данного объекта диагностирования, при том же параметре интегрирования α и при единичном ступенчатом входном сигнале дает следующие значения бинарных указателей:

При наличии дефекта в блоке №2 (в виде уменьшения параметра Т₂ на 20%, дефект №2): J₁=0; J₂=1; J₃=0.

При наличии дефекта в блоке №3 (в виде уменьшения параметра Т₃ на 20%, дефект №3): J₁=0; J₂=0; J₃=1.

Единичное значение бинарного диагностического признака во всех случаях правильно определяет дефектный блок.

Изобретение относится к диагностике автоматического управления. В способе поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала фиксируют число блоков, входящих в состав системы, определяют время контроля, определяют параметр интегрального преобразования сигналов. Также определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели и контролируемой системы. Попарно сравнивают элементы вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели. Вычисляют бинарные диагностические признаки. По единичному значению бинарного диагностического признака определяют структурный блок с дефектом. Снижаются аппаратные и вычислительные затраты. 1 ил.

Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала, основанный на том, что фиксируют число блоков m, входящих в состав системы, 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 α, фиксируют число k контрольных точек системы, регистрируют реакцию объекта диагностирования и реакцию заведомо исправной системы ƒ_{j ном}(t), j=1, …, k на интервале t∈[0, Т_K] в k контрольных точках, определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(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_{j ном}(α), j=1, …, k, 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_{j ном}(α), j=1, …, k, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате смены позиции входного сигнала на позицию после каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы перемещают позицию входного сигнала на позиции после каждого рассматриваемого блока, подают туда через сумматор входной сигнал x(t) 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 каждой из m моделей с перемещенной позицией входного сигнала Y_ji(α), j=1, …, k; i=1, …, m 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)=Y_ji(α)-F_{j ном}(α), j=1, …, k; i=1, …, m,

отличающийся тем, что определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков:

sign(ΔY_ji(α)), j=1, …, k; i=1, …, m, определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k, производят операцию попарного сравнения элементов вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате смены позиции входного сигнала i-го блока sign(ΔY_ji(α)), j=1, …, k; i=1, …, m, и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k, по формуле:

, i=1, …, m,

производят операцию попарного сравнения элементов инверсии вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате смены позиции входного сигнала i-го блока inv(sign(ΔY_ji(α))), j=1, …, k; i=1, … m, и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k по формуле:

, i=1, …, m,

производят вычисление бинарных диагностических признаков из соотношения:

, i=1, …, m,

по единичному значению бинарного диагностического признака определяют структурный блок с дефектом.