Способ диагностирования состояния технического объекта с выбросами параметров и устройство для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК G06F17/18 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, используемых в системах контроля и диагностирования сложных технических объектов, и может быть применено в анализаторах случайных процессов с выбросами, например в системах термоконтроля судовых дизелей.

Цель изобретения - повышение достоверности диагностирования.

На фиг.1 даны матрицы динамики изменений; на фиг.2 - устройство для реализации способа; на фиг.З - блок вычисления статистических характеристик.

Сущность изобретения состоит в использовании нового диагностического параметра, выявленного для технических объектов указанного класса - выброса случайного процесса, т.е. кратковременного увеличения измеряемой величины за пределы допуска, кроме того, в учете свойств нового параметра не как переменной во времени величины, а как представителя генеральной совокупности значений случайного процесса, и, наконец, в установлении связи стохастических свойств случайного процесса с выбросами с изменением состояния диагностируемого технического объекта.

CJ1 Ч

СО

о

Ичопретение относится к классу объекюв, параметры которых наряду со случайным изменением внутри определенного допуска имеют тенденцию к выбросам ча его пределы в сторону увеличения их значений. Причем характер выброса в ходе эксплуатации технического объекта претерпевает три стадии.

Первая из стадий связана с приработкой узлов технического объекта и характеризуется повышенной частотой выбросов. Вторая стадия - период исправного функционирования - связана с регулярными относительно редкими выбросами.

Наконец, третья стадия (стадия и зноса узлов) характеризуется увеличенной вероятностью возникновения не- исправностей, требующих ремонта. Число выбросов на этой стадии-может как сократиться, так и возрасти. Изменяется их длительность, амплитуда и другие параметры.

К таким объектам, например, относится судовой малооборотный дизель. Из-за наличия замков поршневых колец, вращения колец при перемещениях поршня и периодического прорыва газов вдоль поршня через замки и другие зазоры температура втулки дизеля как случайная величина скачкообразно увеличивается. На стадии приработки поршневых колец выбросы температуры имеют учащенный характер. Затем в период и справного функционирования дизеля выбросы регулярны и относительно редки. При повышенном нагарообразовании Непосредственно перед закоксовыванием поршневых колец выбросы температуры могут исчезнуть. Наоборот, при изменении геометрии кольца вследствие выгорания смазки, перегрева и другие выбросы учащаются из-за возникновения дополнительных зазоров.

Случайный процесс изменения значений параметров технических объектов указанного класса по известным способам контролируется периодически пу- тем единичного замера значения случайного процесса и его сравнения с допуском. При этом период замеров на два порядка выше их длительности. Так, например, температура втулки дизеля замеряется несколько раз в сутки кратковременно. Выброс при таком контроле воспринимается как превышение значением случайного процесса

установленного допуска. В известном способе такие значения вообще исключаются из статистики.

Способ реализуют следующим образом.

Проводят измерения технического параметра с увеличенной частотой. Их период определяют исходя из частотны характеристик выброса по формуле Ко- тельникова

о л

2 и

тГгГ К Юь

(D

где К

2U- количество отсчетов за период й ;

М„ 2frf Mouc ,

f /макс максимальная частота спектра выброса GO, - погрешность аппроксимации случайного процесса при дискретном измерении.

Определяют дополнительную статистическую характеристику распределения случайной величины параметра. В силу специфики технических объектов рассматриваемого класса фиксируемые с повышенной частотой выбросы за пределы верхней границы допуска порождают асимметричность и подчинение техни2.

ческого параметра закону X распределения, т.е. распределения величины

()

- ------.-

Ј --5г-

(2)

или

х n sz/cr,

n S

п

j J

х)2

n - число степеней свободы;

S - выборочная дисперсия 7

С - генеральная дисперсия;

х - математическое ожидание. Затем проводят серию контрольных циклов и сравнивают результаты каждого очередного цикла с результатами предыдущего. По результатам такого сравнения выделяют этапы протекания случайного процесса и соответствующие этапы функционирования технического объекта. Первый этап завершается при стабилизации статистических характеристик х, S и n на одном уровне.

515

Он соответствует приработке узлор технического объекта.

В начале второго этапа эти харак-

теристики принимают за эталонные. 2

причем о считается ранной стабилизированному значению S г, поскольку этап нормального Функционирования технического объекта наиболее продолжителен. Статистика, получаемая на втором этапе, составляет подавляющий объем генеральной совокупности. Б свою очередь, природа протекания данного этапа такова, что случайны; процесс в течение его стационарен. Следовательно, S неизменна. Второй этап наиболее продолжителен. Если выброс параметра длится, например, для температуры втулки цилиндра малооборотного судового дизеля 15-30 мин, то этап нормального работоспособного состояния составляет несколько лет. Однако для выделения второго этапа достаточно зафиксировать неизменность x,S и п в течение нескольких суток, т.е. соотношение между длительностью выброса и периодом, в течение которого наступает второй этап, 1/300-1/500.

Сокращение либо увеличение числа выбросов свидетельствует о наступлении третьего этапа. Такое изменение выражается в положительном либо отрицательном приращениях статистических характеристик и немедленно обнаруживается контрольно-измерительной аппаратурой, реализующей данный способ. На третьем этапе происходит износ узлов технического объекта, поэтому диагностирование приобретает особую важность. На этапе износа оно осуществляется согласно изобретению штатными средствами автоматики по изменениям во времени логических комбинаций, представленных булевыми векторами

I ,...,а; ; (3) ai ai ам J

ИЛИ о -5 а

-i-й ,

1 при j e Ј;; О при j S;, допуск на значение j-й статистической характеристики (п или Sfc).

Динамика изменения п и S2 представляется булепыми матрицами (фнг.1а,б), каждая строка которой есть вектор а1 в фиксированный момент времени, соответствующий случаю, когда число степеней свободы п остается неизменным на протяжении серии из четырех контрольных циклов. Фиг.1г соответствует

Q ситуации, когда выборочная дисперсия S монотонно возрастает на протяжении серии из четырех контрольных циклов. На основании этих матриц принимается решение о характере неисправнос5 ти, причем число различных дефектов по сравнению с известным устройством увеличивается на несколько порядков. Так, диагностирование ситуации, описываемой матрицами на фиг.1 в,г одно0 временно, позволяет сделать вывод об учащении выбросов либо об увеличении их амплитуды. Одновременное монотонное увеличение п и S свидетельствует об исчезновении выбросов (закон

5 X2 преобразуется в нормальный) и одновременном увеличении колебаний параметра и др.

Способ реализуется с помощью устройства (фиг.2).

0 Устройство содержит датчик 1 параметров, генератор 2 тактовых импульсов, блок 3 вычисления статистических характеристик, первый регистр 4, элементы 5 - 5з задержки, элементы 6 ( - 6э сравнения, переключатель 7 режимов, состоящий из элемента ИЛИ 8, элемента НЕ 9, элемента 10 запрета, счетчика 11 и триггера 12, первый 13 и второй 132 ключи, первую

0 ч N и вторую 15 ,, - 15 м группы пороговых элементов, первый 16 и второй 17 дешифраторы, группу вторых триггеров 18 - 18,2 м и блок 19 индикаторов.

с Блок 3 вычисления статистических характеристик (фиг.З) содержит ключ 20, одновибратор 21, первый 22, второй 23 и третий 24 элементы дифференцирования, первый 25 и второй 26 элеQ менты деления, первый 27 и второй 28 накапливающие сумматоры, элемент 29 задержки, первый 30, второй 31 и третьи 32 - 32к элементы вычитания, первый счетчик 33, многоканальный

, элемент 34 сравнения, генератор 35 тактовых импульсов, второй счетчик 36, третьи счетчики 37 1 - 37 к , третьи элементы 38 - 38k деления, узел 39 задания значений плотности распре5

деления X7-, первый 40, вторые

41к квадраторы, сумматор 42, элемент

43 сравнения и элемент 44 памяти

Регистр 4 - регистр параллельного приема и параллельной выдачи информации. Регистры 18 - 182М - последовательного приема и сдвига. При поступлении в их первые разряды значения логической единицы или логического нуля содержимое всех разрядов сдвигается на один разряд вправо.

Дифференцирующий элемент 22 срабатывает по переднему фронту импульса одновибратора 21, а элемент 23 - по заднему фронту того же импульса.

Узел 39 содержит значения известной математической зависимости

Гф-2

где Г п Y

На чения

-гамма-функцияj

-число степеней свободы,-аргумент функции, принимаю- щий К значений.

выходе узла 39 для каждого зна- п, поступающего на его вход со счетчика 36, присутствует К значений плотности вероятности распределение величины X4.

Устройство работает следующим образом.

Обнуляются регистр 4, счетчики 11, 33,36 и 37, - 37ю сумматоры 27,28 и 42, триггер 12.

Запускается генератор 2, импульсы начинают поступать на тактирующий вход блока 3. Значения расчетных статистических характеристик х, S2 и п поступают на входы разрядов регистра 4 с частотой, равной частоте контрольных циклов или пропорциональной ей.

8элементах 5 ,, - 5$ осуществляется задержка длительностью в контрольный цикл, поэтому на входы элементов 6 - 6., поступают значения характеристик текущего и предыдущего циклов. Если эти значения не равны между собой либо отличаются более чем на заданную величину, на выходе соответствующего элемента 6 имеется единичный сигнал. Данный сигнал порождает такой же сигнал на выходе элемента 8. Элемент

9инвертирует логическую 1, поэтому

5

0

5

0

5

на счетный вход счетчика 11 сигналы не поступают. Данная ситуация сохраняется на протяжении всего первого этапа протекания случайного процесса, когда идет приработка технического объекта, а статистические характеристики меняют свои значения.

При стабилизации значений характеристик элементы 6, - 63 выдают нулевые сигналы, что приводит к возникновению единично о сигнала на выходе элемента 9 и записи в счетчик 11 числа, соответствующего количеству совпадений значений характеристик на соседних контрольных точках. Любое несовпадение соседних значений характеристик приводит к обнулению счетчика 11 подачей единичного сигнала на вход его обнуления, При сохранении стабильных значений характеристик в течение заданного количества контрольных циклов счетчик переполняется. Импульсом переполнения триггер 12 устанавливается в единичное состояние. Логическая единица с выхода триггера 12 закрывает элемент 10, прекращает подсчет числа совпавших значений. Переключатель 7 подает единичный сигнал на управляющие входы ключей 134 132, открывает путь для прохождения на элементы 14 - 14N и 15ц - 15М значений характеристик п и S . Заканчивается рэбота устройства, соответствующая второму этапу протекания случайного процесса.

0

На третьем этапе, когда осуществляется диагностика неисправностей, значения п и S поступают на входы

0

элементов 14 - 14 ц или 15 1 - 15М. В зависимости от значения величины п

п

или S на выходах соответствующих элементов появляется единичный сиг- 5 нал. На дешифраторы 16 и 17 поступают соответствующие коды. В результате дешифрации этих кодов на первые ячейки двух регистров из числа регистров 18 41 - 182Мпоступают единичные сигналы. Загораются индикаторы, соответствующие тем разрядам регистров, в которые записаны логические 1. Смена содержимого ячеек регистров 18 - 18/2 осуществляется по ко

мандам с генератора 2, поступающим на тактовые входы элементов 14 ц - 14N и 15 - 15дл. Информация, представленная индикаторами, соответствует диагностическим матрицам (фиг.1в,г).

9 Информация ячеек регистров 18

18#M по желанию разработчика может быть дешифрирована в соответствии с конкретной схемой распознавания неисправностей .

Средства дешифрации на чертеже фиг.2 не указаны ввиду их частного характера для каждого отдельного случая использования устройства.

Блок 3 работает следующим образом.

Импульс, поступающий на тактовый вход блока от генератора 2, запускает одновибратор 21, который выдает длинный импульс, соответствующий длительности контрольного цикла. По переднему фронту импульса одновибра- тора срабатывает элемент 22, который подает команду на запись числа, большего любой заранее заданной величины, в элемент 44. По переднему фронту импульса с одновибратора 21 открывается кпюч 20, и значения случайного процесса начинают поступать на элементы 24 и 27. В элементе 27 они суммируются, а в элементе 24 инициируют импульсы, поступающие на вход счетчика 33 и осуществляющие подсчет числа суммированных значений. В результате деления в элементе 25 образуется текущее значение математического ожидания случайного процесса - х. Оно выдается на первый выход блока. С задержкой в элементе 29 длительностью, необходимой для получения достоверного значения х, значения случайного процесса начинают поступать на элемент 30, где осуществляется вычитание и далее на входы квадратора 40, где нормированное значение случайного процесса возводится в квадрат. После накопления в сумматоре 28 сумма нормированных квадраторов поступает на вход делимого элемента 26. На вход делителя данного элемента поступает величина п-1, определенная в элементе 31. Вычисленное значение выборочной

дисперсии S ход блока.

, i

поступает на второй выПо командам с выхода элемента 24 значения случайного процесса подаются также на вход элемента 34, где сравниваются также на вход элемента 34, где сравниваются с группой допусков. Значение, попавшее в соответствующий допуск, порождает выходной импульс на соответствующем выходе элемента 34. Данный импульс заносится в соот

734611°

ветогвуюший счетчик J7. По окончании контрольного цикла срабатывает элемент 23. Импульс с его выхода подает команду на деление содержимого счетчика 37 на число измеренных значений, поступающее с выхода счетчика 33. На выходах элементов 38 присутсгвуют значения, пропорциональные частотам гистограммы распределения значений случайного процесса в текущем цикле. Импульс с выхода элемента 23 запускает генератор 35. Начинается реализация метода наименьших квадратов J5 Для интерполяции гистограммы законом

10

плотности вероятности распределения

,, i

X с искомым значением числа степеней

свободы. Счетчик 36 последовательно выдает на вход узла 39 числа нату

0 рального ряда. Для кажного из этих чисел узел 39 выдает значения функции (4) в точках, соответствующих аргументам гистограммы. В результате вьгчитания теоретических

5 значений из полученных экспериментальным путем в элементах 32, возведения их в квадрат в элементах 41 и суммирования в сумматоре 42 определяется критерий близости теоретичес0 кой и экспериментальной функции. Число, соответствующее этому критерию, поступает на вход элементов 43 и 44. Если поступившее число меньше числа, ранее записанного в элемент 44, срабатывает элемент 43. Выдается сигнал на вход управления записью в элемент 44. Текущее минимальное значение среднеарифметического отклонения, а также соответствующее ему число степеней свободы с кодового выхода счетчика 36 записывается в элемент 44. Импульс переполнения с выхода счетчика 36 поступает на вход выдачи результата элемента 44, после чего значения чисе ла степени свободы, соответствующее наиболее близкой теоретической кривой плотности распределения X2 выдается на третий выход блока 3.

В начале следующего контрольного

Q цикла импульсом с выхода элемента 22 обнуляются сумматоры 27 и 28, счетчики 33 и 37. Сумматор 42 обнуляется сигналом с выхода генератора 35 перед каждым новым расчетом зна5

0

чений функции плотности распределения X .

Блок 3 может быть выполнен и по другим принципиальным схемам, например, с использованием принципа модеЛированряквадратов

X2 распределения как суммы п нормально распределенных случайных величин, а также с использованием стандартных схем определения статистических моментов.

ормула изобретения

1.Способ диагностирования состояния технического объекта с выбросами гараметров, состоящий в том, что на Этапах приработки, исправного функ- фюнирования и износа технического Объекта определяют частоту измерения амплитуды случайного процесса изменения технического параметра, рассчитывают статистические моменты случайного процесса, сравнивают их с эта- л|онными и по результатам сравнения к|лассифицируют неисправность, о т - л ичающийся тем, что, с целью повышения достоверности диагностирования, на всех этапах жизненного цикла технического объекта измерения амплитуды случайного процесса провопят с частотой, равной максимальной ч|астоте спектра выброса технического параметра, увеличенной обратно лро- п орционально квадратному корню от погрешности аппроксимации процесса изменения технического параметра, по результатам измерений рассчитывают дисперсию, число степеней свободы распределения хи-квадрата и принима- ю|т их в качестве контролируемых па- р аметров, на этапе приработки техни- ч еского объекта регистрируют после- д овательные изменения контролируемых параметров до их стабилизации на одном уровне, неизменные на этапе - нормального функционирования в течение периода, большего трехсоткратной длительности выброса, значения контролируемых параметров принимают за эталонные, а на этапе износа технического объекта устанавливают многоуровневые допуски для каждого контролируемого параметра, при попадании п один из допусков формируют индицирующий сигнал, при переходе значения контролируемого параметра

в другие допуски фиксируют последовательно возникающие в процессе функционирования технического объекта индицирующие сигналы, по изменениям которых во времени классифицируют состояние технического объекта.

2.Устройство для диагностирования состояния технического объекта

с выбросами параметров, содержащее

157346112

два ключа, элемент НС, блок индикаторов, переключатель режимов, элемент ИЛИ, первую группу пороговых элементов, выходами подключенных к кодовому 1 входу первого дешифратора, о т л и10

20

25

30

чающееся тем, что, с целью повышения достоверности диагностирования, оно содержит генератор тактовых импульс ов, блок вычисления статистических характеристик, первый регистр и группу из (N+M) вторых регистров (где N - число степеней свободы из интервалов возможных значеjr ний, М-выборочная дисперсия распределения хи-квадрата случайной величины) , три элемента задержки, три элемента сравнения, вторую группу из М пороговых элементов и второй дешифратор, кодовым входом и выходами подключенный соответственно к выходам пороговых элементов второй группы и входам первых разрядов соответствующих вторых регистров, выходы первого дешифратора также соединены с первыми разрядами соответствующих вторых регистров, выходы разрядов которых связаны с входами соответствующих индикаторов, выход генератора тактовых импульсов соединен с тактирующими входами первого регистра, блока вычисления статистических характеристик, первой и второй групп пороговых элементов, информационные входы которых связаны с выходами соответственно первого и второго ключей, информационные входы которых подсоединены соответственно к второму и третьему информационным выхоjg дам блока вычисления статистических характеристик, а управляющие входы - к управляющему выходу переключателя режимов работы, управляющие входы которого соединены с выходами соответствующих элементов сравнения, первый и второй входы каждого из которых подсоединены непосредственно и через соответстветствующий элемент задержки к выходу соответствующего разряда первого регистра, инфор аци- онный вход которого связан с соответствующим информационным выходом блока вычисления статистических характеристик, информационный вход которого является информационным входом устройства, входы обнуления регистров, переключателя режимов и блока вычисления статистических характеристик соединены с входом обнуле35

45

50

55

0

5

0

чающееся тем, что, с целью повышения достоверности диагностирования, оно содержит генератор тактовых импульс ов, блок вычисления статистических характеристик, первый регистр и группу из (N+M) вторых регистров (где N - число степеней свободы из интервалов возможных значеr ний, М-выборочная дисперсия распределения хи-квадрата случайной величины) , три элемента задержки, три элемента сравнения, вторую группу из М пороговых элементов и второй дешифратор, кодовым входом и выходами подключенный соответственно к выходам пороговых элементов второй группы и входам первых разрядов соответствующих вторых регистров, выходы первого дешифратора также соединены с первыми разрядами соответствующих вторых регистров, выходы разрядов которых связаны с входами соответствующих индикаторов, выход генератора тактовых импульсов соединен с тактирующими входами первого регистра, блока вычисления статистических характеристик, первой и второй групп пороговых элементов, информационные входы которых связаны с выходами соответственно первого и второго ключей, информационные входы которых подсоединены соответственно к второму и третьему информационным выхоg дам блока вычисления статистических характеристик, а управляющие входы - к управляющему выходу переключателя режимов работы, управляющие входы которого соединены с выходами соответствующих элементов сравнения, первый и второй входы каждого из которых подсоединены непосредственно и через соответстветствующий элемент задержки к выходу соответствующего разряда первого регистра, инфор аци- онный вход которого связан с соответствующим информационным выходом блока вычисления статистических характеристик, информационный вход которого является информационным входом устройства, входы обнуления регистров, переключателя режимов и блока вычисления статистических характеристик соединены с входом обнуле5

5

0

5

131

ния устройства, причем переключатель режимов содержит элемент НЕ, элемент ШШ, элемент запрета, счетчик и триг rep, единичным выходом соединенный с управляющим выходом переключателя режимов и управляющим выходом элемен та запрета, выход и информационный вход которого связаны соответственно

57346114

со счетным входом счетчика и выходом

-шемента НЕ, вход которого подключен к выходу элемента ИЛИ и входу обнуления счетчика, входы элемента ИЛИ сое- динены с соответствующими информационными входами переключателя режимов, вход обнуления которого соединен с входом обнуления счетчика.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, используемых в системах контроля и диагностики сложных технических объектов, и может быть применено в анализаторах случайных процессов с выбросами, например, в системах термоконтроля судовых дизелей. Цель изобретения - повышение достоверности диагностирования. Сущность изобретения состоит в использовании нового диагностического параметра - показателя закона распределения XN-квадрат - для выделения трех стадий функционирования технического объекта: приработки

нормальной эксплуатации

износа узлов, а также в предсказании по выявленному диагностическому параметру на третьей стадии момента предполагаемой неисправности, связанной с учащающимися выбросами. 2 о.п. ф-лы, 3 ил.

II all

II о5 II