Устройство для контроля системы автоматической стабилизации параметров

 

Изобретение относится к автоматическому контролю и может быть использовано в системах контроля и управления технологическими параметрами . Цель изобретения - повышение достоверности контроля и качества стабилизации параметров при сбоях в каналах измерения. Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь 1, два коммутатора 2 и 12,регистры уставки 3, допустимых отклонений 4, текущего значения параметра 7 и прогнозируемого значения параметра 9, два регистра 10 и 11 допустимых ошибок прогноза, три блока сравнения 5,6 и 13, блок 8 прогноза, счетчик 14, четыре элемента И 15-17 и 22, два элемента ИЛИ 18 и 19, формирователь 20 импульсов, инвертор 21 и два элемента 23 и 24 задержки. Устройство обнаруживает предаварийные ситуации и осуществляет селекцию аномальных результатов измерения за счет выполнения двухшагового прогноза динамики изменения прогноза. 2 3.п. ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 С 06 F 15/46

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Вхой/ юг.1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4107838/24-24 (22) 11.06.86 (46) 15.02.88 Бюл. № 6 (72) В.Г.Жуковский, В.И.Савинов и Н.Ф.Твердохлебов (53) 621.396(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 614441, кл. G 06 F 15/46, 1975.

Авторское свидетельство СССР

¹ 875393, кл. G 06 F 15/46, 1980. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СИСТЕМЫ

АВТОМАТИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ IIAPAMETР0В (57) Изобретение относится к автоматическому контролю и может быть использовано в системах контроля и управления технологическими параметрами. Цель изобретения — повышение достоверности контроля и качества

„„SU„„3374248 А1 стабилизации параметров при сбоях в каналах измерения. Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь 1, два коммутатора 2 и 12,регистры уставки 3, допустимых отклонений 4, текущего значения параметра 7 и прогнозируемого значения параметра 9, два регистра 10 и 11 допустимых ошибок прогноза, три блока сравнения 5,6 и 13, блок 8 прогноза, счетчик 14, четыре элемента И 15-17 и 22, два элемента ИЛИ 18 и 19, формирователь 20 импульсов, инвертор 21 и два элемента 23 и 24 задержки.

Устройство обнаруживает предаварийные ситуации и осуществляет селекцию аномальных результатов измерения за счет выполнения двухшагового прогноза динамики изменения прогноза.

2 з.п. ф-лы, 4 ил.

13742

Изобретение относится к автоматическому контролю и может быть использовано в системах централизованного контроля и управления технологически5 ми параметрами. .Цель изобретения — повышение достоверности контроля и качества.стабилизации технологического параметра при сбоях в канале измерения сис- 19 темы.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Знание предыстории поведения стабилизируемого технологического пара- 15 метра до текущего момента времени (нескольких предыдущих и текущего . результатов измерения-отсчетов параметра) позволяет прогнозировать результат каждого последующего его I 20 измерения, а априорная, например статистическая, информация о допустимом поведении параметра и точности его аналого-цифрового преобразования при измерении позволяет определить 25 допустимую ошибку такого прогноза.

Эти данные при каждом последующем измерении параметра используются для селекции аномальных (нетипичных) для параметра результатов измерения, 30 вызванных кратковременными сбоями .в канале измерения под воздействием помех цехового оборудования. В общем случае продолжительность аномалий может достигать нескольких периодов измерения параметра, поэтому для ее селекции необходимо осуществлять одно- или многократный прогноз стабилизируемого параметра. Требуемая кратность прогноза определяется В каж 40 дом конкретном случае в зависимости от временных характеристик помех, однако зачастую достаточно двукратного обнаружения сбоя, а третий сбой подряд свидетельствУет о не- 45 исправности в канале измерения.

Процедура селекции аномалий начинается с определения на один период измерения прогнозируемого (ожидаемого) результата измерения, затем в момент измерения текущий результат

50 измерения сравнивается с ожидаемым.

Если их разность превышает допустимую ошибку прогноза, то результат текущего измерения считается аномальным (сбойным),а в качестве текущего

55 фактического отсчета контролируемого параметра принимается прогнозируемое значение. Затем определяется сле48 2 дующее прогнозируемое значение парааметров еще на период с вперед (т.е. осуществляется двукратный прогноз) и так до тех пор, пока сбойная ситуация повторяется либо число сбоев превысит допустимое. В последнем случае формируется сигнал аварийного состояния системы автоматической стабилизации параметра.

Выполнение прогноза позволяет также предсказывать выход стабилизируемого параметра за допустимые пределы уклонения и определять предаварийные ситуации.

Если стабилизируемый параметр на интервале времени (-ш ", t n ) с достаточной степенью точности описывается полиномом ш-й степени, то для выполнения одно- и многократного прогноза можно получить простые для технической реализации вычислительные выражения в виде линейной комбинации

1 отсчетов параметра.

Пусть Р„, Р„,,...Р n m равноот-. стоящие во времени отсчеты стабилизируемого параметра P(t) в моменты времени tn t n — ... „-ш соответственно, где t „— текущий момент изме-, рения. Тогда стабилизируемый параметр можно представить в виде полинома Лагранжа с остаточным членом

fn

Р() = — .СР.fl-— .— — 1- + — -"- -"- П =a 1 o j — 1 (m+1) 1

1о (t-+ j n ) (1) где М,„ — максимальное значение (m+1)-й производной от параметра.P(t) .

Подставляя в выражение (1) значение времени t = 9 9 t = 2 l,...,t=k ". можно получить выражение для однои k-кратного прогноза и верхние оценки методической ошибки прогноза d M, Например, при ш=3 и k=1,3 вычислительные выражения имеют вид:

Р(9 )=4Р„-6РП, +4Р„-Р„ъ,(2)™„= М4;

) =10Рв -20Pn +15P„4P„; (3) д4

2М

Р(3 )=20P„ -45Р„ +36P„ -10Р„.;(4)

3M> — 5М . з 1374

; Кроме методической ошибки прогноза,;. на каждом д-м шаге возникает ошибка прогноза и, от трансформации ошибок аналого-цифрового преобразования (ошибка от квантования по уровню с дискретностью d отсчетов параметра Р„;, i=o,ш).

Верхняя оценка ошибки д опредет; ляется погрешностью цифроаналогового преобразования + /2 и значениями коэффициентов в расчетных выражениях (2), (3) и (4), а именно ,1 ltl

2 3=0 где o(° ° — коэффициент перед j-ì отсJ 1 четом параметра в выражении для расчета i-го прогнозируемого значения параметра.

Так, для приведенного выше приме248 ная линия), его прогнозируемого значения (штриховая линия) и аномального результата измерения (штрихпунктирная линия), на фиг. 4 — пример реализации каждого из блоков сравнения.

Устройство содержит аналого-циф ровой преобразователь 1, первый коммутатор 2, регистр 3 установки, .регистр 4 допустимых отклонений, первый 5 и второй 6 блоки сравнения, регистр 7 текущего значения параметра, блок 8 прогноза, регистр 9 прогнозируемого значения параметра, пер15 вый 10 и второй 11 регистры допустимых ошибок прогноза, второй коммутатор 12, третий блок 13 сравнения, счетчик 14, первый 15, второй 16 и третий 17 элементы И, первый 18 и второй 19 элементы KIN, формирователь 20 импульсов, инвертор 21, четвертый элемент И 22, первый 23 и второй 24 элементы задержки.

Блок 8 прогноза (фиг.2) содержит

25 первый 25 и второй 26 сумматоры и последовательно соединенные первый 27, второй 28 и третий 29 регистры предыдущих отсчетов параметра и последовательно соединенные первый 30, втоgp рой 31 и третий 32 элементы задержки.

Блоки сравнения состоят из преоб.разователя 33 в дополнительный.код, сумматора 34, узла 35 выделения модуля и схемы 36 сравнения (схемы "Боль35

Устройство работает следующим образомм.

В исходном состоянии в регистры 4,10 и 11 заносятся и хранятся в про4О цессе работы устройства соответствен. но допустимое уклонение параметра от . установки д А,„, первая d и вторая д„ допустимые ошибки йрогноза, в регистры 3 и 7 и в регистры блока

49 111 ь = — d a

2 "з 3

15 ра и = --d

Т1 2 1

В результате ошибка прогноза на каждом д-м шаге не превышает верхней оценки

4Ас. + 4,.

0pi

1 1 и зависит от,априорно известных значений (ш+1)-й производной М „, периода измерения и цены единицы кванс тования параметра по уровню . Поэтому допустимые значения ошибок прогноза могут быть вычислены заранее.

Выражения (3) и (4) для дву- и трехкратного прогнозов, а также выражения и для последующих прогнозов получаются из выражения (2) при последовательной подстановке в него вместо отсчета Р„ значения ранее вычисленного по (2) прогнозируемого значения параметра. Это свойство полученных выражений позволяет организовать определение прогнозируемых значений параметра в рекуррентной форме с использованием только выражения (2) при последовательной подстановке в него ранее вычисленного прогнозируемого значения, но с изменением значения допустимой ошибки прогноза.

На фиг. 1 показана структурная .схема устройства; на фиг.2 — структурная схема блока прогноза; на фиг.3 — изменение реального параметра (сплош8 прогноза — значение уставки стабилизируемого параметра Р>, а счетчик

15 обнуляется. Текущее значение стабилизирующего параметра, поступающее на первый вход устройства, через преобразователь 1 в цифровом виде поступает на вход коммутатора 2.Каждое измерение сопровождается тактовым сигналом, поступающим на шестой вход устройства. Этот сигнал, поступив на вход синхронизации регистра 9, заносит в него. прогнозируемое значение стабилизируемого параметра, поступающее с выхода блока 8 прогноза и сформированное на предыдущем так1374248 те измерения ° Одновременно тактовый сигнал поступает на второй вход блока 8 и осуществляет перезапись в него предыдущего результата измере5 ния из регистра 7. Через время, достаточное для срабатывания регистра 9 и блока прогноза, на выходе элемента 24 задержки появляется сигнал, поступающий на вход коммутатора 2 и осуществляющий запись в регистр 7 текущего результата измерения параметра.

Первый блок 5 сравнения осуществляет сравнение абсолютного значения разности текущего значения параметра (содержимого регистра 7) и уставки (содержимого регистра 3) с допустимым отклонением л„,„(содержимым регистра 4). Если стабилизируемый параметр находится в пределах допуска, то на выходе блока 5 сравнения формируется сигнал "0", который запирает элемент И 15, в результате чего на выходе инвертора 21 появ- 25 ляется сигнал "1", разрешающий прохождение сигналов через элемент И 22. в случае наличия предаварийной ситуации. Предаварийная ситуация обнаруживается с помощью блока 6 сравнения, 30 признаком чего является выход прогнозируемого значения параметра на такт измерения вперед за пределы поля допуска (фиг.3б), т.е. когда разность между выходным кодом блока прогноза и уставкой (содержимым регистра 3) превышает по абсолютной величине допустимое уклонение пд,„(содержимое регистра 4) . При этом на выходе блока б сравнения формируется сигнал

"1", который через открытый элемент

И 22 поступает на третий выход устройства, извещая о возникновении предаварийной ситуации.

Селекция аномальных результатов измерения выполняется при каждом измерении по тактовому сигналу, формируемому на выходе первого элемен, та 23 задержки. Первоначальное нулевое состояние счетчика 14 обеспечивает через коммутатор 12 подключение содержимого регистра 10 (первой допустимой ошибки прогноза й„,) к первому входу блока 13 сравненйя.

На другие входы блока 13 сравнения поступают с выходов регистров 7 и 9 соответственно текущее,и прогнозируемое значения стабилизируемого параметра. Если абсолютное значение разности указанных значений пар."-,метра превышает,р„(фиг.3а), то это свидетельствует о сбойной ситуации в канале измерения системы стабилизации. В этом случае на выходе блока 13 сравнения появляется сигнал

"1", который разрешает прохождение тактового сигнала с выхода элемента 23 задержки через элемент И 16 и элемент ИЛИ 18 на вход счетчика 14, увеличивая его содержимое на единицу. Одновременно сигнал с выхода элемента И 16 поступает на вход коммутатора 2 и синхронизирует перезапись первого прогнозируемого значения параметра, поданного на вход коммутатора 2 с выхода регистра 9, в регистр 7. Время задержки тактового сигнала, определяемое элементом 23 задержки, равно времени задержки элемента 24 задержки и времени срабатывания блока 8 прогноза.

В результате на выход устройства с выхода регистра 7 в систему стабилизации поступает не аномальный результат измерения параметра, а прогнозируемое значение, что повьппает качество стабилизации параметра.

Перед следующим после первого сбойного тактом измерения в блоке 8 прогноза формируется второе прогнозируемое значение параметра P(Zi), которому соответствует второе допустимое значение ошибки прогноза „, хранящееся в регистре 11. Единичное состояние счетчика 14 обеспечивает подключение. через коммутатор 12 выхода регистра 11 к входу блока 13 сравнения. Если в следующем такте измерения разность-текущего и прогнозируемого значений вторично превьппает допустимую ошибку прогноза (фиг. За), то на выходе блока сравне ния сохраняется сигнал "1", который разрешает прохождение тактового сигнала с выхода:элемента 23 задержки через элемент И 16 и элемент ИЛИ 18 на вход счетчика 14, в который заносится второй импульс.

Состояние "2" счетчика 14 разреша-.. ет прохождение сигнала аварии через элемент И 15 ° Сигнал аварии формируется в том случае, если результат измерения после первого сбоя выходит за пределы поля допуска, о чем свидетельствует появление сигнала "1" на выходе первого блока 5 сравнения. Совпадение сигналов "1" на входе эле7 13 мента И 15 вызывает появление сигнала аварии системы стабилизации на выходе устройства.

Если после однократного сбоя результат измерения стабилизируемого параметра отличается от прогнозируемого на величину, не превышающую допустимое значение ошибки прогноза, то сигнал "1" на выходе блока 13 сравнения снимается. Сигнал перепада из "1" в "0" с выхода блока 13 сравнения через элемент ИЛИ 19 посту— пает на вход формирователя 20 импульсов, вызывая появление на его выходе сигнала, переводящего счетчик 14 в нулевое состояние. Сигнал нулевого состояния счетчика 14 запирает элемент И 15, предотвращая формирование .аварийного сигнала на выходе устройства, которое подготавливается таким образом к обнаружению следующих ненормальных ситуаций.

Устройство обеспечивает селекцию кратковременных выходов стабилизируе.мого параметра за поле допуска, не обусловленных аномалиями в измерении, а определяемых ходом технологического процесса.

В этом случае прогнозируемые и текущие значения параметра не отличаются друг от друга больше чем допустимая ошибка прогноза, поэтому сигналы на выходе блока 13 сравнения отсутствуют.

При первом выходе стабилизируемого параметра за пределы поля допуска на выходе блока 5 сравнения формируется сигнал ".1", который поступает на вход элемента И 15, но в качестве признака аварийной ситуации на выход устройства не проходит, поскольку элемент И 15 заперт сигналом нулевого состояния счетчика 14. Сигнал "1" с выхода блока 5 сравнения разрешает прохождение тактового сигнала с выхода элемента 23 задержки через элемент И 17 и элемент ИЛИ 18 на вход счетчика 14, переводя его в единичное состояние. Если в следующем такте измерения значение стабилизируемого параметра остается за пределами поля допуска, то второй тактовый сигнал с выхода элемента 23 задержки, пройдя через элемент И 17 и элемент ИЛИ 18, переводит счетчик 14 в состояние "2".

На выходе счетчика 14 появляется сигнал "1", свидетельствующий, что ненормальная ситуация длится более

74248 двух периодов измерения, который совместно с выходным сигналом блока 5 сравнения вызывает формирование на выходе устройства (выходе элемента

И 15) сигнала аварии системы стабилизации параметра.

Если в следующем такте измерения после первого обнаружения выхода за допустимые пределы стабилизируемый параметр возвращается в поле допуска, то сигнал "1" на выходе блока 5 сравнения снимается, а его перепад из состояния "1" в "0" через элемент ИЛИ 19 и формирователь 20 импульсов вызывает обнуление счетчика 14, переводя устройство в состояние готовности обнаружения дальнейших ненормальных ситуаций.

20 Описание работы устройства приведено для случая, когда допустимое время выхода параметра за пределы поля допуска равно двум периодам измерения, однако принципы построе25 ния устройства остаются теми же и при увеличении допустимого времени ненормальной ситуации до k периодов измерения. При этом увеличивается только число регистров 11 для хранения допустимых ошибок прогноза

d „; (i=3,k), а емкость счетчика 14 увеличивается до k.

Блок прогноза ориентирован на вычисление прогнозируемого значения

35 параметра в соответствии с выражением (2). При этом на каждом такте прогноза на вход регистра 27 поступает текущее значение стабилизируемого параметра (с выхода регистра 7), а

4О в регистрах 27, 28 и 29 хранятся предыдущие отсчеты параметра Р„,,Р„, Р „ соответственно.

На вход сумматора 25 поступает с первого выхода регистра 27 со смещением на два разряда влево (в сторону старших разрядов) значение отсчета параметра Р„,, что эквивалентно его умножению на 4. С второго выхода регистра 27 на другой вход сумматора 25 подается значение отсчета параметра Р„, со смещением

1 влево на один разряд что эквивалентЭ но его умножению на 2. В результате на выходе сумматора 25 формируется

55. код числа 6 х P „,, который (с отрицательным знаком) подается на второй вход сумматора 26. Одновременно на первый вход сумматора 26 поступает со смещением влево на два разряда, 137424

55 с первого входа блока прогноза значение текущего измерения параметра

Р„ (т.е. значение 4хР ), на третий . вход сумматора 26 со смещением на два разряда влево — значение отсчета Р„ (т.е. значение 4хР „,, ) с выхода регистра 28, на четвертый вход сумматора 26 — значение отсчета P

h-g (с отрицательным знаком) с выхода 10 регистра 29. В результате на выходе сумматора 26 формируется код, соответствующий числу 4Р„-6Р„, +4Р„, -Р„

Занесение новых отсчетов параметра на каждом такте измерения осуществ- 15 ляется сигналом, поступающим на управляющий вход блока прогноза, который через элемент 30-32 задержки осуществляет последовательную перезапись содержимого регистра 28 в ре- 20 гистр 29, регистра 27 — в регистр 28 и регистра 7 — в регистр 27.

Каждый блок сравнения (фиг.4) определяет абсолютное значение разности величин, поступающих на его первый 25 .и третий входы, и сравнивает ее со значением величины, подаваемой на второй вход. При этом преобразователь 33 в дополнительный код преобразует одну из сравниваемых величин в вели- 30 чину с противоположным знаком, кото.рая поступает на вход сумматора 34.

На другой вход сумматора 34 подается значение второй сравниваемой величины, в результате чего на его выходе формируется код разности сравниваемых величин. Код разности через узел 35 выделения модуля поступает в виде прямого кода на вход схемы сравнения кодов (схемы "больше-меньше"), на 40 другой вход которой поступает код допустимого значения. Б результате на выходе схемы 36 сравнения (выходе бло ка сравнения) формируется сигнал "1", если разность сравниваемых величин 45 превышает по абсолютной величине допустимое значение.

Формула изобретения

1. Устройство для контроля системы автоматической стабилизации параметров, содержащее аналого-цифровой преобразователь, регистр уставки, регистр допустимых отклонений, первый блок сравнения, счетчик, первый, второй и третий элементы И.и первый элемент задержки, выход которого соединен с первым входом второго элемен8

1О та И, выход второго разряда счетчика связан с первым входом первого элемента И, вход аналого-цифрового преобразователя и установочные входы регистра уставки являются соответственно первым и вторым информационными входами устройства, первый и второй входы первого блока сравнения соединены соответственно с выходами регистров уставки и допустимых отклонений, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения достоверности результатов контроля и качества стабилизации параметра при сбоях в канале измерения системы, в устройство введены второй и третий блоки сравнения, регистр текущего значения параметра, блок прогноза, регистр прогнозируемого значения параметра, первый и второй регистры допустимых ошибок прогноза, первый И второй коммутаторы, первый и второй элементы ИЛИ, формирователь импульсов, инвертор, четвертый элемент И и второй элемент задержки, вход которого вход первого элемента задержки, управляющий вход блока прогноза и вход синхронизации регистра прогнозируемого значения параметра соединены с тактовым входом устройства, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым информационным входом первого коммутатора, второй информационный вход которого и первый информационный вход третьего блока сравнения связаны с выходом регистра прогнозируемого . значения параметра, установочный вход которого и первый информационный вход второго блока сравнения подключены к выходу блока прогноза, информационный вход которого, первый информационный вход первого блока сравнения и второй информационный вход третьего блока сравнения соединены с выходом регистра текущего зна.чения параметра, являющимся первым выходом устройства, вход регистра текущего значения параметра связан с выходом первого коммутатора, первый и второй управляющие входы которого подключены соответственно к выходу второго элемента задержки и к выходу второго элемента И, соединенному с первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого связан с выходом третьего элемента И, первый вход которого подключен к выходу первого

12 сумматоры, выход второго сумматора является выходом блока, а первый вход соединен с информационным вхо5 дом блока связанным с информационУ ным входом первого регистра, управляющий вход которого подключен к выходу третьего элемента задержки, вход которого и управляющий вход второго регистра соединены с выходом второго элемента задержки, вход которого и управляющий вход третьего регистра связаны с выходом первого элемента задержки, вход которого яв15 ляется управляющим входом блока, первый выход первого регистра подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого и информационный вход второго регистра соединены с вторым выходом первого регистра, выход первого сумматора связан с вторым входом второго сумматора, третий вход которого и информационный вход третьего регистра под25 ключены к выходу второго регистра, выход третьего регистра соединен с. четвертым входом второго сумматора °

3. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что каждый блок сравнения содержит преобразователь в дополнительный код, сумматор, узел вьщеления модуля и схему сравнения, выход которой является выходом блока, 35 первый вход — вторым входом блока, а второй вход соединен с выходом ysла выделения модуля, вход которого связан с выходом сумматора,. первый вход которого является первым входом

40 блока, а второй вход подключен к вы-ходу преобразователя в дополнительный код, вход которого служит треть им входом блока.

11 1374248 элемента задержки, а второй вход соединен с первым входом второго эле.мента ИЛИ, вторым входом первого элемента И и с выходом первого блока сравнения, вторые входы второго элемента И и второго элемента ИЛИ связаны с выходом третьего блока сравнения, третий информационный вход которого подключен к выходу второго коммутатора, первый и второй информационные входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго регистров допустимых ошибок прогноза, входы которых являются третьим и четвертым информационными входами устройства, управляющий вход второго коммутатора связан с выходом первого разряда счетчика, счетный вход которого подключен к выходу первого элемента ИЛИ, а вход сброса — к выходу формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, установочный вход регистра допустимых отклонений является пятым информационным входом устройства, выход регистра уставки и выход регистра допустимых отклонений соединены соответственно с вторым и третьим информационными входами второго блока сравнения, выход которого связан с первым входом четвертого элемента И, выход которого является третьйм выходом устройства, а второй вход подключен к выходу инвертора, вход которого соединен с выходом первого элемента И, служащим в качестве второго выхода устройства.

2. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок прогноза содержит первый, второй и третий регистры, первый, второй и третий элементы задержки и первый и второй

1374248

Составитель B.Âoðîíêoâ

Техред Л.Серд„,кова КорректоР М.Пожо Редактор M.Ïåòðoâà

604/46 Тираж 704

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4