Устройство для диагностики стационарных стохастических объектов

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГОНОСТИКИ СТАЦИОНАРНЫХ СТОХАСТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ, содержащее аналого-цифровой преобразователь, блок сравнения , соединенный первым входом с информационным выходом блока эталонных признаков, а выходом - с входом блока индикации, отличающеес Я тем, что, с целью повьппения надежности устройства,в него введены блок памяти, блок счетчиков импульсов , блок управления и регистр, подключенный первым информационным входом к выходу аналого-цифрового преобразователя и к первому информационному входу блока памяти, вторым информационным входом - к первому информационному выходу блока памяти, а выходом - к счетному входу блока счетчиков импульсов, связанного установочным входом с вторым информационным выходом блока памяти, а выходом - с вторым информационным входом блока памяти, подключенного выходом к второму входу блока сравнения, а первым и вторым управляющими входами - соответственно к первому и второму выходам блока управления, соединенного управляющим входом с первым управляющим выходом блока эталонньрс признаков, а третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым и восьмым (Л выходами - соответственно с первым и вторым управляющими входами блока эталонных признаков, с управляющим входом блока счетчиков импульсов , управляющим входом регистра, первым и вторым управляющими входами аналого-цифрового преобразовао теля, подключенного информационны00 ми в.ходами к выходам коммутатора, 4; а управляющим выходом - соответст венно к информационным выходам и синхронизирующему входу коммутатоOi ра, связанного управляющим входом с восьмым выходом блока управления.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

3(51) С 05 В 23/02, /

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3391677/18-24 (22) 27.05.82 (46) 07.04.84. Вюл. 11 13 (72) Т.А.Алиев и Н.С.Алиев (7 1) Институт кибернетики АН АЗССР (53) 62 1.396(088.8) (56) 1. Акустическая диагностика механизмов, Сборник. Под ред.В;П.Павлова.М., "Машиностроение", 1971, с, 171.

2. Авторское свидетельство СССР

11 544949, кл. G 05 В 23/02, 1974 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГОНОСТИКИ СТАЦИОНАРНЫХ СТОХАСТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ, содержащее аналого-цифровой преобразователь, блок сравнения, соединенный первым входом с информационным выходом блока эталонных признаков, а выходом — с входом блока индикации, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения надежности устройства,в него введены блок памяти, блок счетчиков импульсов, блок управления и регистр, подключенный первым информационным входом к выходу аналого-цифрового преобразователя и к первому информационному входу блока памяти, вто„„SU„„ I 084746 A рым информационным входом — к первому информационному выходу блока памяти, а выходом — к счетному входу блока счетчиков импульсов, связанного установочным входом с вторым информационным выходом блока памяти, а выходом — с вторым информационным входом блока памяти, подключенного выходом к второму входу блока сравнения, а первым и вторым управляющими входами — соответственно к первому и второму выходам блока управления, соединенного управляющим входом с первым управляющим выходом блока эталонных приэнаков, а третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым и восьмым выходами — соответственно с первым и вторым управляющими входами блока эталонных признаков, с управляющим входом блока счетчиков импульсов, управляющим входом регистра, первым и вторым управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, подключенного информационными входами к выходам коммутатора, а управляющим выходом — соответственно к информационным выходам и синхронизирующему входу коммутатора, связанного управляющим входом с восьмым выходом блока управления.

1084746

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и предназначено для диагностики состояний стационарных стохастических объектов.

Известно устройство для акусти- 5 ческой диагностики стационарных стохастических объектов, содержащее датчик акустического сигнала, полосовой усилитель, стробатор, синхронизатор„ датчик положения, измеритель амплитуды импульса, детектор, пороговое устройство, измеритель временного положения импульса, блок управления, усредняющее устройство, решающее устройство, устройство выдачи результатов.

В устройстве с помощью полосового фильтра из акустического сигнала выделяется та часть спектра, на которую приходится максимальная 2О мощность составляющей от интересующей кинематической пары. Далее производится многократное измерение амплитуд акустического сигнала и определяется их положение относительно опорного сигнала от стробатора, результаты измерения усредняются. После этого в блоке масштабирования по заранее калиброванным значениям происходит анализ состоя- M ния кинематических пар. Таким образом, последовательно в устройстве выделяется сигнал одной пары, затем другой и т.д. и аналогично определяется состояние выделенной кинематической пары j1) °

Однако указанное устройство имеет узкую область применения, так как с его помощью можно диагностировать состояния лишь тех объектов, у которых периодичность процесса повторяется с определенной частотой и на выходе получаются периодичные сигналы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее входной преобразователь аналог-код, блок фильтрации сигналов и блок сравнения, входы которого соединены с выходами первого и второго блоков выделения эталонных признаков, а выходыс входами блока фиксации аварийных состояний, первого и второго блоков выделения э-.àëîííûõ признаков и блока фильтрации сигналов, входы которого связаны с выходом преобразователя аналог-код, а выходы— с входами блока контроля и блока формирования признаков аварии, второй выход которого подсоединен к входу второго блока выделения эталонных признаков.

В устройстве от контролируемых сигналов стационарных объектов формируется два признака: по величине сигнала и по знаку производной. Далее зти сигналы сравниваются с эталонными признаками.При совпадении результатов формируется сигнал фиксации данной аварии (2) .

Указанное устройство в процессе диагностирования позволяет обнаружить лишь аварийное состояние стационарньи стохастических объектов, тогда как на практике гораздо важнее в процессе эксплуатации определить все возможные предаварийные состояния объекта с целью своевременного устранения причин, которые могут привести к аварийным состояниям.

Цель изобретения — повышение надежности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для диагностики стационарных стохастических объектов, содержащее аналого-цифровой преобразователь, блок сравнения, соединенный первым входом с информационным выходом блока эталонных признаков, а выходом — с входом блока индикации, введены блок памяти, блок счетчиков импульсов, блок управления и регистр, подключенный первым информационным входом к выходу аналого-цифрового преобразователя и к первому информационному входу блока памяти, вторым информационным входом — к первому информационному выходу блока памяти, а выходом— к счетному входу блока счетчиков импульсов, связанного установочным входом с вторым информационным выходом блока памяти, а выходом — с вторым информационным входом блока памяти, подключенного выходом к второму входу блока сравнения, а первым и вторым управляющими входами соответственно к первому и второму выходам блока управления, соединенного управляющим входом с первым управляющим входом блока эталонных признаков, а третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым и восьмым выходами — соответственно с первым и вторым управляющими входами бло! 084746 ка эталонных признаков, с управляющим входом блока счетчиков импульсов, управляющим входом регистра, первым и вторым управляющими входами аналого-цифрового преобразовате- 5

/ ля, подключенного информационными входами с выходом коммутатора, а управляющим выходом соответственно к информационным выходам и синхронизирующему входу коммутатора,. связанного управляющим входом с восьмым выходом блока управления.

На фиг. 1 показана блок-схема устройства, на фиг. 2 — схема блока управления, на фиг. 3 — схема блока 15 эталонных признаков, на фиг. 4 — временная диаграмма блока управления.

Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь 1, регистр 2, блок 3 счетчиков импульсов, блок 4 20 управления, блок 5 памяти, блок 6 (выделения) эталонных признаков, блок 7 сравнения, блок 8 индикации, коммутатор 9.

Блок 4 управления содержит генератор 10 импульсов, элемент ИЛИ 11, элементы И 12-17, одновибратор 18 с выходом 19, первый R5 -триггер 20, делитель 21 частоты, вторые триггеры 22-28, переключатель 29, кноп- 30 ки 30 "Останов", 3 1 "Пуск".

Блок Ь (выделения) эталонных признаков содержит фотодиоды 32, усилители 33,регистр 34 памяти, блок 35 совпадения. 35

Устройство работает следующим образом.

До начала работы устройства его основные блоки приводятся в исходное состояние, т.е. устройство подго-4О тавливается к очередной работе. В качестве технического средства в устройстве применена кнопка общего сброса. При нажатии указанной кнопки сигнал, полученный с ее выхода,. устанавливает в нулевое состояние регистр 2, блок 3 счетчиков, блок 5 памяти, при этом лампы, находящиеся в блоке 8 индикации, принимают начальное состояние. После этого устройство готово к очередной работе, и с помощью кнопки пуска запускается.

При нажатии кнопки "Пуск" в блоке управления запускается генератор импульсов. На восьмом выходе блока управления от указанной кнопки передается сигнал, который запускает аналого-цифровой преобразователь (ЛЦП) 1 и одновременно с ним устанавливает в единичное состояние триггер 20. Импульсы с выхода генератора 10 импульсов поступают на вход делителя 21 частоты. Как видно из схемы логические элементы И, ИЛИ,соединенные на входах делителя 21 частоты, позволяют формировать в блоке управления управляющие сигналы для синхронной работы устройства.

При появлении сигнала на втором выходе делителя частоты запускается одновибратор 18. В этот момент времени на выходе одновибратора 18 появляется разрешающий уровень напряжения, который поступает на один вход элемента И 14, на другой вход которого поступают импульсы с выхода генератора 10 импульсов. Время, в,котором одновибратор 18 остается в единичном состоянии, выбирается с помощью времязадающей цепочки одновибратора = R С. Время выбирается таким, чтобы через элемент И 14 проходило пять импульсов ГИ 10, которые с пятого выхода блока управления передаются на сдвигающий вход блока памяти.

При появлении на входе делителя частоты тринадцатого импульса с ГИ 10 на седьмом, шестом и втором выходах делителя 21 частоты появляется сигнал (1101), т.е. на входах элемента И 16 происходит совпадение этих сигналов, а сигнал с его выхода передается на первый вход элемента И 13 на второй вход которого поступает разрешающий потенциал от триггера 20.

Сигнал с выхода элемента 13 передается на шестой выход блока управления, который в устройстве производит считывание с блока 5 памяти информации в блок 3 счетчиков и регистр 2 (фиг. 1).

Далее с приходом пятнадцатого импульса с выхода ГИ 10 на вход делителя частоты на выходах седьмого, первого, шестого и второго разрядах (1111) последнего появляются сигналы.

На входах элемента И 17 происхо-. дит совпадение этих сигналов, а сиг нал с его выхода передается с второго выхода блока управления на вход устройства, производя запись содер5 t 084 жимых блока 3 счетчиков и регистра 2 в блок 5 памяти.

Переключатель 29, подключенный к старшим разрядам делителя частоты необходим для изменения времени (Т).

С помощью переключателя можно уста.> новить время (Т), которое необходимо для осуществления анализа состояний диагностируемого объекта.

При появлении на выходе переключателя 29 сигнала триггер 20 устанавливается в нулевое состояние. В этот момент времени с прямого выхода триггера 20 сигнал через логический элемент ИЛИ 11 передается на f5 седьмой вьиод блока ч управления и останавливает АЦП 1. Этот же сигнал с третьего выхода блока управления запускает блок 6 эталонных признаков. Нулевой выход триггера 20 2О открывает элемент И 15 и И 12. При этом с выхода блока 6 эталонных признаков синхроимпульсы поступают на вход блока управления. В блоке управления зти синхроимпульсы поступают на второй вход логического элемента И 12 и через него на первый выход блока 4 управления и производится считывание на входы блока 7 сравнения содержимого блоков 5 памя- ЗО ти.

Далее, аналогична описанному выше,,с пятого выхода блока 4 управления формируется пять импульсов для сдвига содержимых блока 5 памяти, и второй синхроимпульс передает новое значение блока 5 памяти на входы блока 7 сравнения. Этот процесс продолжается до истечения времени, необходимого для идентификации состояний О исследуемого объекта. Время определяется экспериментально и устанавливается на выходах делителя частоты (показано произвольно).

При появлении на указанном выходе делителя частоты сигнал через открытый логический элемент И 15 поступает на четвертый выход блока 4 управления и останавливает устройстТак завершается очередная рабоР зб та устроиства.

В процессе преобразования аналогового сигнала U(t) в цифровую форму происходит его амплитудное квантование x(t). В каждом шаге преобразования с изменением значения входного сигнала U(t) изменяются цифровые значения отсчетов, т.е. в зависимости от изменения U(t) изменяются состояния соответствующих разрядов счетчика отсчетов аналого-цифрового преобразователя 1, от выходов которых через преобразователь код-аналог вырабатываются аналоговые сигналы, сумма которых в моменты дискретизации оказывается равной входному сигналу U(t) „Этим самым на соответствующих разрядах счетчика отсчетов АЦП входной стационарный случайный сигнал U(t) как бы разлагается на элементарные стационарные случайные сигналы q(t), принимающие только два значения (1 и О) с соответствующими весами.

Очевидно„ что если преобразуемые сигналы U(t) будут стационарными случайными функциями, то каждый элементарный сигнал q(t) также будет стационарной случайной функцией.

Из теории вероятности известно, что закон распределения вероятности для стационарного случайного сигнала одного и того же объекта не зависит от времени.

Следовательно, закон распределения вероятности как для сигнала U(t), так и для элементарных сигналов q(t) одного и того же объекта не изменится, если не изменится состояние объекта. Понятно, что если сигнал принимает всего два состояния (1 или О), то практически определение его закона распределения сводится к подсчету количест ва единиц или нулей. Следовательно, если состояние объекта не изменяется во времени, то количество единичных (или нулевых) состояний любого сигнала q(t) на достаточно длительных равных отрезках времени будет одинаковым или близким по значению, а для равных отрезков времени комбинации количеств едиииц в указанных элементарных сигналах q(t) также будут одинаковьми или близкими. Если же состояние объекта изменяется, то изменяется закон распределения сигнала U(t) и комбинация количеств единиц и элементарных сигналах q(t).

Таким образом, в предлагаемом устройстве обнаружение изменения состояния объекта в процессе его эксплуатации сводится к подсчету количеств единиц в элементарных сигналах q(t) и к выявлению измене- ния комбинаций количеств единиц.

1084 74б видно из кодов, полученных в текущем и предыдущем шагах преобразова- 30 ния, два старших разряда не изменили своих состояний, а в первом и втором разряде зафиксировано изменение, т ° е. первый разряд из единичного состояния перешел в нулевое, а второй разряд из нулевого состоя-. ния перешел в единичное. При этом, если разряд регистра 2 изменил свое состояние с единичного на нулевое, то на соответствующем выходе регистра 2 формируется сигнал, который записывает единицу в счетчик блока 3 счетчиков,. соответствующий данному разряду регистра 2.

В данном примере это обнаружилось 45 на выходе первого разряда регистра 2, т.е. в первый счетчик .блока 3 счетчиков записалась единица. После этого содержимое блока 3 счетчиков записывается в соответствующие адреса блока 5 памяти.

Аналогичным образом с блока 5 памяти по сигналу от блока 4 управления считывается и записывается на регистр 2! цифровой эквивалент следу- ющего сигнала, полученный в предыдущем шаге преобразования, после этого с выходов АЦП 1 на входы реВыявление изменения комбинаций количеств единиц происходит следующим образом.

С выхода АЦП 1 полученные в первом шаге преобразования цифровые эк- 5 виваленты всех входных сигналов поочередно поступают на входы регистра 2 и параллельно записываются в блок 5 памяти. После завершения первого шага преобразования по истечении промежутка времени, равного шагу квантования по времени, начинается второй шаг преобразования. Одновременно с этим на втором выходе блока 4 управления появляется сигнал, 15 по которому с блока 5 памяти считывается на регистр 2 цифровой эквивалент первого входного сигнала, полученный в предыдущем шаге преобразования. 20

Допустим, что в первом шаге преобразования получен код цифрового эквивалента 0001. В текущем шаге преобразования получен с выхо;, дом АЦП 1 цифровой эквивалент 0010, 2 который поступает парафаэно на входы регистра 2 и одновременно с этим заносится в блок 5 памяти. Как гистра 2 заносится цифровой эквивалент текущего значения этого же сиг" нала. При этом, если разряды регистра 2 изменили свои состояния с единичных на нулевые. то на соответствующих выходах регистра 2 формируются сигналы, которые записывают единицы в соответствующие счетчики блока 3 счетчиков.

Описанный выше процесс в данном шаге преобразования повторяется для всех каналов. Цифровые эквиваленты текущих значений всех каналов с выходов АЦП 1 и соответствующие содержимые блока 3 счетчиков поочередно записываются на соответствующие адреса блока 5 памяти.

В третьем и последующих шагаМ преобразования по сигналам от блока 4 управления с блока 5 памяти на регистр 2 поочередно заносятся цифровые эквивалентыпредыдущих значений всех сигналов, одновременно с блока 5 памяти в блок 3 счетчиков поочередно заносятся соответствующие содержимые счетчиков, полученных в предыдущих шагах преобразования для каждого канала.

В течение времени наблюдения (Т) для каждого входного сигнала в счетчиках блока 3 счетчиков происходит поочередный подсчет количества изменений состояний разрядов регистра 2 с единицы на нуль. Следовательно, содержимое каждого счет" чика блока 3 счетчика представляет собой количество изменений состояний каждого разряда регистра 2 за время наблюдения (Т). В конечном счете по истечении времени (Т) в блоке 5 памяти хранится для каждого входного канала соответствующее содержимое блока 3 счетчиков.

В процессе функционирования устройства на выходах АЦП 1 в каждом шаге преобразования получаются элементарные сигналы ц ), с1(), ° .. (г) и по истечении времени наблюдеи ния (Т) в соответствующих адресах блока 5 памяти получают количества единиц в указанных элементарных сигналах g (t) g (t) с1„(с). Этот процесс завершается остановом АЦП по. сигналу от блока 4 управления.

После этого начинается процесс установления состояния объекта.

При этом эталонные признаки, предварительно записанные в соответ1084746 ствующих ячейках блока 6 эталонных признаков поочередно по сигналам от блока ч управления поступают на входы блока 7 сравнения. На другие входы блока 7 сравнения по сигналам от блока 4 управления из соответствующих адресов блока 5 памяти поступают комбинации найденных количеств единиц в элементарных сигналах q(t), q (t),..., q (t) соответствующих каналов. В результате на блоке 7 сравнения производится поочередное сравнение соответствующих комбинаций эталонных и найденных количеств единиц для всех входных каналов. Иден- 15 тификация состояния объекта производится по номеру эталонных количеств единиц, совпавших с комбинациями количеств единиц, найденных в процессе работы устройства эа M время Т.

Для подготовки устройства к автоматизации диагностики определенного класса объектов предварительно производится экспериментальное обследование этих объектов и "обучение" устройства, т.е. процесс определения комбинаций эталонных количеств единиц должен предшествовать эксплуатации устройства. ЗО

"Обучение" устройства производится следующим образом.

Объект приводится оператором в одно из возможных состояний, и с помощью устройства, аналогично описанному выше, определяются комбинации количества единиц для элементарных сигналов q(t), которые принимаются как эталонный признак для данного состояния объекта и записы- gб ваются в блок 6 вьделения эталонных признаков.. Лналогичным образом для каждого состояния обследуемого объекта находится и запоминается комбинация эталонных количеств единиц.

Естественно, что для каждого состояния объекта в процессе "обучения" устройства может получиться множество близких по значению комбинаций количеств единиц, которые образуют множество признаков, соответствующих этому состоянию объекта.

Найденное для определенного состояния объекта множество комбинаций количеств единиц для элементарных сигналов q(t) фиксируется в блоке 6 выделения эталонных при-наков в адресах, соответствующих данному состоянию объекта, которому присваива-» етс:- определенный номер. При совпадении найденных признаков с одним из эталонных признаков по этим номерам производится идентификация состояния объекта.

Для построения предлагаемого устройства возможно использование современных серийно выпускаемых интегральных элементов и аналого-цифровых преобразователей, благодаря этому его изготовление технологично и требует небольших затрат.

Лрименение устройства позволяет обнаруживать не только аварийные, но и предаварийные состояния объекта, вследствие чего появляется возможность своевременного устранения причин возникновения аварий.

Это имеет большое практическое значение при применении устройства для диагностики стохастических стационарных объектов.

1084746

1084 46

Ae.f

8ысХжз*

Ar.

Aer. F

Hate:Х

ИФе Фй

A r J симлой

Юаи 4 мфевэ ФА

Аа е ppg

Ae JF ему юХв i@ Руа 4

Составитель И,Горбунова

Редактор Е. Кривина Текред А.Бабинец Корректор О.Билак

Заказ 2000/41 Тираж 842 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35„ Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент ", г.ужгород, ул.Проектная, 4