Способ диагностирования апериодических звеньев и устройство для его осуществления

 

Способ и устройство относятся к контролю и диагностированию систем автоматического управления и их элементов и могут быть использованы для диагностирования линейных динамических объектов. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и повышении достоверности результатов диагностирования, что достигается путем определения не только номера неисправного эвена, но и одновременного контроля отклонений коэффициента усиления и постоянной времени от номинальных значений. В качестве модели i-го диагностируемого звена используют соотношение где Y_i - изображение по Лапласу реакции звена на единичное ступенчатое воздействие в области вещественного значения переменной α_i, K_i, T_i - контролируемые параметры звена, предварительно для каждого звена определяют номинальные значения параметров , для чего на входы заведомо исправных звеньев подают поочередно единичное ступенчатое воздействие x(t) = 1(t), определяют время контроля звена из соотношения где предварительная (априорная) оценка постоянной времени, номинальное значение коэффициента усиления определяют как значение выходного сигнала звена в конце интервала контроля для определения номинального значения постоянной времени звена его выходной сигнал интегрируется с весом , где выходной сигнал звена подают на первый вход делительного устройства, на второй вход которого подают выходной сигнал интегратора, выходной сигнал делительного устройства подают на вход первого усилителя с коэффициентом усиления выходной сигнал которого подают на первый вход первого сумматора, на второй вход которого подают положительное напряжение единичной амплитуды, выходной сигнал первого сумматора подают на вход второго усилителя с коэффициентом усиления , с выхода которого по истечении времени снимают напряжение, численно равное постоянной времени, выходной сигнал второго усилителя подают на первый вход второго сумматора и, изменяя величину напряжения на втором его входе, добиваются минимального по модулю напряжения на выходе сумматора, полученное напряжение на втором входе сумматора фиксируют как номинальное значение звена, выходной сигнал звена подают на первый вход третьего сумматора и, изменяя напряжение на втором его входе, добиваются минимального по модулю напряжения на его выходе, полученное напряжение на втором входе третьего сумматора фиксируют как номинальное значение звена, затем переходят к диагностированию звеньев, для чего поочередно с каждым звеном выполняют операции, определенные выше, но при фиксированных уставках выходной сигнал второго сумматора подают на первую схему допускового контроля, выходной сигнал третьего сумматора подают на вторую схему допускового контроля, при выходе одного или обоих параметров контролируемого звена за пределы допуска выходной сигнал схем допускового контроля принимает единичное значение, являющееся признаком дефекта звена. Устройство для диагностирования апериодических звеньев содержит три сумматора, блок интегрирования, cхему запуска, источник тестового ступенчатого сигнала, блок формирования нелинейной функции, блок перемножений, блок деления, четыре усилителя, две схемы допускового контроля с соответствующими связями. 2 c.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к контролю и диагностированию систем автоматического управления и их элементов и может быть использовано для диагностирования линейных динамических объектов, состоящих из апериодических звеньев первого порядка.

Известен способ диагностирования линейных динамических объектов, поиск неисправностей по которому осуществляется в предположении, что в объекте могут иметь место только одиночные параметрические отклонения (авт.св. СССР N 1300419, кл. G 05 B 23/02, 1987).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является способ и устройство диагностирования апериодических звеньев (авт.св. СССР N 781768, кл. G 05 B 23/02, 1980), основанный на использовании контрольного соотношения следующего вида где n - число звеньев; b_i - постоянная времени; a_i - коэффициент усиления; y_i - выходной сигнал звена; x_i - входной сигнал звена.

Применение способа ограничено допущениями, что отклониться может только один коэффициент и что входные сигналы звеньев имеют различную форму. Однако реальный конструктивный дефект звена приводит, как правило, к одновременному изменению значений коэффициента усиления и постоянной времени. Кроме того, при диагностировании полезно знать не только коэффициент, который изменил значение, но и степень его отклонения от номинала.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение достоверности результатов диагностирования, что достигается путем определения не только номера неисправного звена, но и одновременного контроля отклонений коэффициента усиления и постоянной времени от номинальных значений.

Указанная цель достигается тем, что предлагается новая совокупность действий: 1. В качестве модели диагностируемых звеньев принимается соотношение где Y_i - изображение выходного сигнала 1-го звена; K_i - коэффициент усиления; x - изображение входного ступенчатого сигнала единичной амплитуды; T_i - постоянная времени; P - переменная Лапласа; n - число контролируемых звеньев.

2. Предварительно определяют номинальные параметры диагностической модели для чего на вход каждого заведомо исправного звена поочередно подают единичное ступенчатое воздействие 3. Определяют время контроля звена из соотношения где - время переходного процесса (известно, что время переходного процесса апериодического звена на уровне 5% равно T_пп≈(3^oC5)·T, где T - постоянная времени).

Эти рассуждения дают правило выбора интервала времени контроля где - оценка постоянной времени 1-го контролируемого звена.

В последнем неравенстве первоначально есть априорная оценка постоянной времени, которая при дальнейшем анализе переходных процессов может быть скорректирована. В любом случае, должно быть выбрано с некоторым запасом в большую сторону, чтобы способ был работоспособен при поиске неисправностей, связанных с увеличением постоянных времени контролируемых объектов.

4. Определяют номинальные значения коэффициентов усиления звеньев как значения выходных сигналов звеньев на конце временного интервала контроля (поскольку на вход подается ступенчатый сигнал единичной амплитуды). Так как , то
5. Номинальные значения постоянных времени звеньев определяют с использованием диагностической модели вида (1), записанной в изображениях по Лапласу для вещественного значения α переменной Лапласа P:

где
;

α_i - вещественная положительная константа.

Подставляя в (2) значение изображения X_i(α_i) и выражая T_i получим:

6. Согласно выражению (3) для определения номинальных значений постоянных времени, выходной сигнал каждого звена интегрируют с весом на интервале времени от 0 до (бесконечный предел в выражениях (2) заменяем на конечный При этом погрешность, обусловленная заменой предела интегрирования, зависит от правильности выбора параметра α_i. Этот параметр выбирается из следующих соображений.

Поскольку интегрируется произведение двух функций, одна из которых (Y_i(t)) при t → ∞ стремится к конечному значению K_i, а вторая - к нулю, то произведение этих функций также будет стремиться к нулю, поэтому если α_i выбрать так, чтобы в конце интервала интегрирования функция принимала малые значения, то произведение функций то есть подинтегральное выражение, также будет мало и дальнейшее его интегрирование при будет незначительно изменять результат. С другой стороны, если параметр α_i выбран так, что функция веса принимает малые значения на большей части интервала интегрирования это приведет к ошибкам, связанным с интегрированием малых значений (дрейф нуля интегратора). Эти соображения приводят к правилу выбора α_i :

При таком выборе в конце интервала моделирования: , то есть функция веса на интервале интегрирования принимает значения от 1 при t-0 до 0,007 при (менее 1% от максимального значения) и погрешность ограничения верхнего предела не будет превышать один процент. Уменьшение α_i приведет к росту погрешностей, связанных с конечностью интервала интегрирования, увеличение α_i - к погрешностям, связанным с интегрированием малых сигналов.

Величина сигнала на выходе интегратора, на вход которого подается произведение выходного сигнала контролируемого 1-го звена Y_i(t) и функции веса , зафиксированная в момент времени есть изображение по Лапласу Y_i(P) в области вещественных значений переменной P = α_i.
7. Выходной сигнал контролируемого звена, снятый в момент времени подают на первый вход делительного устройства, на второй вход которого подают выходной сигнал интегратора Y_i(α_i).
8. Выходной сигнал делительного устройства подают на вход первого блока усиления с коэффициентом усиления 1/α_i, выходной сигнал усилительного блока подают на неинвертирующий вход первого сумматора, на второй (инвертирующий) вход которого подают положительное напряжение единичной амплитуды.

9. Выходной сигнал первого сумматора подают на вход второго усилительного блока с коэффициентом усиления 1/α_i, с выхода которого снимают напряжение, численно равное значению постоянной времени контролируемого звена (выражение (3)).

10. Выходной сигнал второго усилительного блока подают на неинвертирующий вход второго сумматора и, изменяя величину уставки на инвертирующем его входе, добиваются минимального по модулю напряжения на выходе сумматора. Полученное напряжение уставки считают номинальным значением 1-го звена.

11. Выходной сигнал 1-го звена подают на неинвертирующий вход третьего сумматора и, изменяя напряжение уставки на инвертирующем его входе, добиваются минимального по модулю выходного сигнала сумматора. Величину напряжения уставки фиксируют как номинальное значение коэффициента усиления 1-го звена.

12. Для всех исправных звеньев с номерами выполняют операции, определенные в пунктах 4 - 11, регистрируя
13. При контроле звеньев, для 1-го звена выполняют операции, изложенные в пунктах 4 - 9, применительно к определению K_i и T_i.

14. Выходной сигнал второго усилительного блока (численно равный T_i) подают на неинвертирующий вход второго сумматора, на инвертирующий вход которого подают определенное ранее напряжение уставки, равное . Разность двух напряжений ΔT_i с выхода сумматора подают на первую схему допускового контроля, на выходе которой при отклонении постоянной времени от номинального значения больше допустимого появляется сигнал единичной амплитуды, являющийся признаком дефекта T_i в звене.

15. Выходной сигнал 1-го контролируемого звена подают на неинвертирующий вход третьего сумматора, на инвертирующий вход которого подают определенное ранее напряжение уставки . Разность двух сигналов ΔK_i с выхода третьего сумматора подают на вторую схему допускового контроля, на выходе которой при отклонении коэффициента усиления от номинального значения больше допустимого появляется сигнал единичной амплитуды, являющийся диагностическим признаком дефекта K_i в звене.

16. Операции по пунктам 13 - 15 выполняют поочередно для каждого звена, подавая поочередно на вход каждого звена тестовый единичный ступенчатый сигнал.

В качестве ближайшего аналога устройства выбрано устройство, описанное в авт.св. СССР N 781768, кл. G 05 B 23/02, 1980. Оно содержит сумматоры, интегрирующие звенья, генератор тактовых импульсов, восемь вентилей, счетчик, триггер, два коммутатора, дифференцирующее звено и блок проверки линейной зависимости сигналов.

Однако это устройство не позволяет выявлять кратные дефекты в звене. С целью расширения функциональных возможностей устройства в него введена схема запуска, источник тестового ступенчатого сигнала, блок формирования нелинейной функции, блок перемножения, блок деления, четыре усилителя, две схемы допускового контроля.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - структурная схема аналогового устройства, реализующая способ; на фиг. 3 - схема допускового контроля; на фиг. 4 - графики зависимости относительной погрешности.

Устройство содержит: 1 - схему запуска; 2 - источник тестового единичного ступенчатого воздействия; 3 - контролируемое звено; 4 - блок формирования нелинейной функции; 5 - блок перемножения; 6 - блок интегрирования; 7 - блок деления; 8 - первый усилитель; 9 - первый сумматор; 10 - второй усилитель; 11 - второй сумматор; 12 - первую схему допускового контроля; 13 - третий сумматор; 14 - вторую схему допускового контроля; 15 - третий усилитель; 16 - четвертый усилитель; S₁, S₂ - диагностические признаки дефектов "K" и "T" соответственно.

Выход схемы запуска 1 соединен с управляющим входом устройства формирования тестового ступенчатого сигнала 2, выход которого соединен с входом контролируемого звена 3, выход схемы запуска 1 соединен с управляющим входом блока формирования нелинейной функции 4, выход которой соединен с вторым входом блока перемножения 5, первый вход которого соединен с выходом контролируемого звена 3, выход блока перемножения 5 соединен с сигнальным входом блока интегрирования 6, управляющий вход которого соединен с выходом схемы запуска 1, выход блока интегрирования 6 соединен с вторым входом блока деления 7, первый вход которого соединен с выходом контролируемого звена 3, выход блока деления 7 соединен с входом первого усилителя 8, выход которого соединен с неинвертирующим входом первого сумматора 9, на второй (инвертирующий) вход которого подается положительное напряжение единичной амплитуды, выход первого сумматора 9 соединен с входом второго усилителя 10, выход которого подключен к неинвертирующему входу второго сумматора 11, на второй (инвертирующий) вход которого подается напряжение уставки , выход второго сумматора 11 подключен к сигнальному входу первой схемы допускового контроля 12, выход контролируемого звена 3 подключен к неинвертирующему входу третьего сумматора 13, на второй (инвертирующий) вход которого подается напряжение уставки , выход третьего сумматора 13 соединен с сигнальным входом второй схемы допускового контроля 14, управляющий вход первой схемы допускового контроля 12 соединен с выходом третьего усилителя 15, на вход которого подается напряжение уставки управляющий вход второй схемы допускового контроля 14 подключен к выходу четвертого усилителя 16, на вход которого подается напряжение уставки
В структурной схеме аналогового устройства, реализующей описанный способ (фиг. 2), усилители 8 и 10 конструктивно объединены с сумматорами 9 и 11 соответственно.

Устройство работает следующим образом.

Схема запуска 1 запускает одновременно источник тестового ступенчатого сигнала 2, блок формирования нелинейной функции 4 и блок интегрирования 6. Тестовый ступенчатый сигнал подается на вход контролируемого звена 3, выходной сигнал которого одновременно подается на вход блока перемножения 5, первый вход блока деления 7 (делимое) и неинвертирующий вход третьего сумматора 13. По истечении времени контроля , схема запуска останавливает интегрирование в блоке 6. При этом на выходе звена 3 будет сигнал, равный оценке коэффициента усиления K_i, на выходе блока 6 -оценка изображения Y_i(α_i), а на выходе блока 10 - напряжение, равное оценке постоянной времени T_i. Если эти две оценки получены для заведомо исправного звена, то производится компенсация этих сигналов изменением уставок путем минимизации сигналов на выходах блоков 13 и 11 соответственно. Полученные уставки принимаются в качестве номинальных параметров и остаются неизменными при диагностировании соответствующих звеньев, когда вместо заведомо исправного (эталонного) 1-го звена к устройству подключается контролируемое 1-е звено. Усилители 15 и 16 имеют коэффициенты усиления β_т< 1 и β_к< 1 и служат для получения опорных напряжений схем допускового контроля, определяющих максимальные допустимые отклонения контролируемых параметров Δ_т и Δ_к. Схемы допускового контроля 12 и 14 представляют собой нелинейные блоки с релейной статической характеристикой, представленной на фиг. 3. Выходной сигнал блоков допускового контроля принимает значение 0 при нахождении контролируемого параметра в зоне допуска (-Δ, +Δ) и значение 1 - при выходе параметра за пределы указанного интервала. Абсолютные значения границ зоны допустимых отклонений контролируемого параметра изменяются при изменении уставок T_ном и K_ном. Допустимые относительные отклонения параметров T и K задаются коэффициентами усиления блоков 15 и 16:

Реализация способа в устройстве предполагает использование одних и тех же электронных блоков как на этапе получения номинальных параметров, так и на этапе их контроля, поэтому устраняются ошибки диагностирования, связанные с неадекватностью номинальной модели, погрешностями блоков умножения, интегрирования, деления, усиления. Составляющая погрешности определения постоянной времени, связанная с конечностью интервала интегрирования, зависит от правильности выбора параметра α блока нелинейной функции 4. Зависимость этой погрешности была исследована путем цифрового моделирования на ЭВМ устройства, представленного на фиг. 2. Графики зависимости относительной погрешности определения T от величин α и T_K показаны на фиг. 4. Результаты моделирования подтверждают правильность рассуждений о наличии оптимальных значений α:α =5/T_k; T_k≥5T_i.

Предлагаемый способ имеет еще одно достоинство по сравнению с прототипом. Контроль сигналов на выходах блоков 13 и 11 позволяет выявить тренд параметров K и T еще до того момента, когда эти параметры выйдут за пределы допуска, что позволяет осуществлять раннее обнаружение постепенных отказов.

Формула изобретения

1. Способ диагностирования апериодических звеньев, основанный на интегрировании выходных сигналов апериодических звеньев на конечном интервале времени, отличающийся тем, что в качестве модели i-го апериодического звена используют соотношение

где Y_i(Y_i(α_i)-) - изображение по Лапласу реакции звена на единичное сутпенчатое воздействие в области вещественного значения переменной α_i;
K_i, T_i - контролируемые коэффициент усиления и постоянная времени апериодического звена,
предварительно для каждого апериодического звена определяют номинальные значения параметров для чего на входы заведомо исправных апериодических звеньев подают поочередно единичное ступенчатое воздействие x(t) = 1(t), определяют время контроля апериодического звена из соотношения

где предварительная (априорная) оценка постоянной времени,
номинальное значение коэффициента усиления определяют как значение выходного сигнала апериодического звена в конце интервала контроля для определения номанального значения постоянной времени апериодического звена его выходной сигнал интегрируют с весовым коэффициентом где одновременно выходной сигнал апериодического звена подают на первый вход делительного устройства, на второй вход которого подают выходной сигнал интегратора, выходной сигнал делительного устройства подают на вход первого усилителя с коэффициентом усиления 1/α_i, выходной сигнал которого подают на неинвертирующий вход первого сумматора, на инвертирующий вход которого подают положительное напряжение единичной амплитуды, выходной сигнал первого сумматора подают на вход второго усилителя с коэффициентом усиления 1/α_i, с выхода которого по истечении времени снимают напряжение, численно равное постоянной времени апериодического звена, выходной сигнал второго усилителя подают на неинвертирующий вход второго сумматора и, изменяя величину напряжения на инвертирующем его входе, добиваются минимального по модулю напряжения на выходе этого сумматора, полученное напряжение на инвертирующем входе второго сумматора фиксируют как номинальное значение апериодического звена, одновременно выходной сигнал апериодического звена подают на неинвертирующий вход третьего сумматора и, изменяя напряжение на инвертирующем его входе, добиваются минимального по модулю напряжения на его выходе, полученное напряжение на инвертирующем входе третьего сумматора фиксируют как номинальное значение апериодического звена, полученные значения используют в качестве фиксированных уставок, а затем для каждого из диагностируемых апериодических звеньев описанным образом определяют значения его коэффициента усиления и постоянной времени, выходной сигнал второго сумматора подают на первую схему допускового контроля, выходной сигнал третьего сумматора подают на вторую схему допускового контроля, ширину зон допустимых значений ΔT_i, ΔK_i схем допускового контроля определяют в соответствии с выходными сигналами третьего и четвертого усилителей с коэффициентами усиления соответственно, при выходе одного или обоих параметров диагноституемого апериодического звена за пределы допустимого значения выходной сигнал одной или обеих схем допускного контроля принимают равным единичному значению, являющемуся признаком дефекта диагностируемого апериодического звена.

2. Устройство для диагностирования апериодических звеньев, содержащее сумматоры и блок интегрирования, отличающееся тем, что оно содержит схему запуска, источник тестового ступенчатого сигнала, блок формирования нелинейной функции, блок перемножения, блок деления, четыре усилителя, две схемы допускового контроля, причем выход схемы запуска соединен с управляющими входами источника тестового ступенчатого сигнала, блока формирования нелинейной функции и блока интегрирования, выход источника тестового ступенчатого сигнала соединен с входом диагностируемого апериодического звена, выход которого соединен с первым входом блока перемножения, подключенного вторым входом к выходу блока формирования нелинейной функции, первым входом блока деления и неинвертирующим входом третьего сумматора, выход блока перемножения соединен с сигнальным входом блока интегрирования, выход которого подключен к второму входу блока деления, выход которого соединен с входом первого усилителя, выход первого усилителя соединен с неинвертирующим входом первого сумматора, инвертирующий вход которого предназначен для подачи положительного напряжения единичной амплитуды, выход первого сумматора соединен с входом второго усилителя, выход которого подключен к неинвертирующему входу второго сумматора, инвертирующий вход которого предназначен для подачи напряжения уставки выход второго суматора подключен к сигнальному входу первой схемы допускового контроля, управляющий вход которой соединен с выходом третьего усилителя, вход которого предназначен для подачи напряжения уставки выход третьего сумматора соединен с сигнальным входом второй схемы допускового контроля, управляющий вход которой подключен к выходу четвертого усилителя, вход четвертого усилителя и инвертирующий вход третьего сумматора предназначены для подачи напряжения уставки е

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4