Способ поиска неисправного блока 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 предполагает использование сложных диагностических признаков наличия дефекта в структурном блоке системы.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является 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.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является уменьшение аппаратных и программных затрат, связанных с реализацией вычисления знаков передач сигналов от выходов блоков до контрольных точек.

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 T_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1, …, k регистрируют, фиксируют число m рассматриваемых блоков системы, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений для m блоков, для чего поочередно в каждый блок динамической системы вводят пробное отклонение параметра передаточной функции и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра интегрирования 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 отклонения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров разных структурных блоков ΔP_ji(α) = P_ji(α) - F_{j ном}(α), j=1, …, k; i=1, …, m, определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений для дефектов sign(ΔP_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 k 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 пробных отклонений параметров разных структурных блоков из соотношения sign(ΔP_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(ΔP_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 пробных отклонений параметров для i-го блока inv(sign(ΔP_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(ΔP_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 пробных отклонений параметров разных структурных блоков, 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 пробных отклонений параметров разных структурных блоков. Инверсия вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров разных структурных 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 sign(ΔP_i(α)), i=1, …, m, полученные в результате пробных отклонений i-го номера каждого из m дефектов блоков и определенного выше параметра интегрального преобразования 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 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.

8. Определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений каждого из m дефектов блоков, для чего поочередно для каждого параметра разных структурных блоков динамической системы вводят пробное отклонение этого параметра передаточной функции 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 пробными отклонениями P_ji(α), j=1, …, k;, i=1, …, m регистрируют.

9. Определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров структурных блоков ΔP_ji(α) = P_ji(α) - F_{j ном}(α), j=1, …, k; i=1, …, m.

10. Определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров блоков по формуле sign(ΔP_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 к контрольных точек от номинальных значении sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k.

15. Производят операцию попарного сравнения элементов вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров i-го блока sign(ΔP_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.

16. Производят операцию попарного сравнения элементов инверсии вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров i-го блока inv(sign(ΔP_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.

17. Производят вычисление бинарных диагностических признаков из соотношения:

, i=1, …, m.

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=4 с (дефект №1) в первом звене путем подачи ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегральных оценок сигналов для параметра α=0.5 и Т_к=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 контролю и диагностике систем автоматического управления. В способе поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров каждого из соответствующих блоков, производят операцию попарного сравнения элементов вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений параметров i-го блока, и вектора знаков отклонений интегральных оценок. Затем производят операцию попарного сравнения элементов инверсии вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений параметров i-го блока, и вектора знаков отклонений интегральных оценок. Далее вычисляют бинарные диагностические признаки, по единичному значению которого определяют структурный блок с дефектом. Уменьшаются аппаратные и программные затраты. 1 ил.

Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений, 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, Т_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, T_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 , где, путем подачи на первые входы k блоков перемножения выходных 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_{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 знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений sign(ΔF_j (α)), j=1, …, k, производят вычисление бинарных диагностических признаков, по единичному значению бинарного диагностического признака определяют структурный блок с дефектом, отличающийся тем, что определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров каждого из соответствующих блоков sign(ΔP_ji(α)), j=1, …, k; i=l, …, m, производят операцию попарного сравнения элементов вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений параметров i-го блока sign(ΔP_ji(α)), j=1, …, k; i=1, …, m, и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k, по формуле , производят операцию попарного сравнения элементов инверсии вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений параметров i-го блока inv(sign(ΔP_ji(α))), j=1, …, k; i=1, …, m, и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k, по формуле , производят вычисление бинарных диагностических признаков:

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