Способ поиска неисправностей в динамических системах

 

Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления. Технический результат заключается в уменьшении аппаратных затрат на диагностирование путем уменьшения числа исследуемых контрольных точек и вычисляемых диагностируемых признаков. Сущность способа: определяют минимальное количество групп динамических объектов N>1, имеющих один выходной и один входной сигналы, назначают контрольные точки для измерения входных сигналов этих групп, определяют отклонение частотных характеристик от номинальных для выбранных контрольных точек, определяют модель чувствительности для выбранных контрольных точек и N элементов по одному из каждой группы, определяют N диагностических признаков для N элементов по одному из каждой группы, затем по минимуму значения диагностического признака судят о наличии неисправности в группе. Если заданная глубина поиска неисправностей не достигнута, то повторяют операции разбиения дефектной группы, назначения контрольных точек и вычисления диагностических признаков для определения дефектной подгруппы динамических элементов. 1 ил.

Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления.

Известен способ контроля линейных динамических систем (Авторское свидетельство СССР N 297034, М. кл. G 05 B 23/00, 1969), использующий модель чувствительности временных характеристик к изменению параметров. Способ предполагает сложную структуру формирования тестовых воздействий.

Наиболее близким к предлагаемому способу техническим решением является способ диагностирования неисправностей динамических объектов (Авторское свидетельство СССР N 1462254, М.кл. G 05 B 23/02, 1989).

Недостатком этого способа является то, что он предполагает предварительное назначение и использование при диагностировании всех контрольных точек так, чтобы все одиночные неисправности объекта были попарно различимы. При этом вычисляются диагностические признаки для всех динамических элементов объекта. Эти особенности известного способа обуславливают избыточность контрольных точек и вычисляемых диагностических признаков.

Цель изобретения - уменьшение аппаратных затрат на диагностирование путем уменьшения числа используемых контрольных точек и вычисляемых диагностических признаков.

Указанная цель достигается тем, что согласно изобретению, предлагается новая совокупность действий.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем.

Как и в прототипе, в предлагаемом способе в качестве диагностического признака наличия неисправности в l-м динамическом элементе используется мера следующего вида где n - число используемых отсчетов частот; k - число контрольных точек; ΔA_j(ω_i) - - отклонение частотных характеристик в j-й контрольной точке на частоте ω_i; чувствительность частотной характеристики для j-й контрольной точки к изменению частотной характеристики 1-го динамического элемента на частоте ω_i (структурная чувствительность).

Динамический элемент, структурные чувствительности которого минимизируют значение функционала (1) для наблюдаемых отклонений ΔA_j(ω_i), принимается неисправным.

Структурную чувствительность 1-го динамического элемента относительно всех контрольных точек можно представить вектор-функцией: Функционал (1) обладает следующим свойством. Если двум динамическим элементам объекта диагностирования соответствует пара структурных чувствительностей такая, что (2)
где f(ω) - скалярная функция частоты, то диагностические признаки Q₁ и Q_p этих элементов будут равны между собой. Это свойство доказывается подстановкой элементов векторов в выражение (1) и заменой их согласно выражению (2):

Другими словами, если вектор-функции структурной чувствительности динамических элементов линейно зависимы, то неисправности этих элементов не различимы. Отметим, что увеличение разрядности векторов (то есть добавление новых контрольных точек) может привести к устранению свойства (2).

Рассмотрим, какие структурные особенности объекта приводят к появлению свойства (2). На рисунке приведена структурная схема объекта диагностирования, содержащего четыре динамических элемента и две контрольные точки. Динамические элементы разделим на две группы, как показано на рисунке.

Обозначим передаточную функцию замкнутой системы относительно первой контрольной точки - Ф₁(p), относительно второй - Ф₂(p). Структурная чувствительность первого динамического элемента определяется вектором:

Поскольку первая группа элементов имеет один внешний вход и один внешний выход, то можно определить ее передаточную функцию. Обозначим передаточную функцию первой группы: W₁^г(p). Структурная чувствительность первой группы определяется вектором:
(4)
поскольку W^г₁(jω) есть функция от W₁(jω), то, используя правило дифференцирования сложных функций, определим структурную чувствительность динамического элемента через структурную чувствительность группы:

Аналогично для второго динамического элемента:

или (5)
где скалярная функция, определяемая отношением структурных чувствительностей частотой характеристики первой группы к изменению частотных характеристик элементов группы.

Линейная зависимость (5) структурных чувствительностей будет иметь место для всех видов частотных характеристик (вещественной, амплитудной и т.д.) группы. Таким образом, при указанном на рисунке расположении контрольных точек справедливы соотношения:


вектор чувствительности амплитудной частотной характеристики для двух контрольных точек к изменению амплитудной частотной характеристики i-го динамического элемента;
f₁(ω), f₂(ω) - некоторые скалярные функции частоты.

Соотношения (6) эквивалентны рассмотренному ранее соотношению (2), а значит, с учетом свойства функционалов (1): Q₁ = Q₂; Q₃ = Q₄, т.е. диагностические признаки наличия дефектов в динамических элементах каждой группы равны между собой.

При допущении, что дефект может возникнуть только в одном динамическом элементе для рассматриваемой системы достаточно вычислить только два диагностических признака Q₁ (или Q₂) и Q₃ (или Q₄). Если минимален Q₁(Q₂), то неисправность в группе 1, иначе - в группе 2. Для обеспечения заданной глубины поиска неисправностей определенную таким образом группу элементов, содержащую неисправность, разбивают на подгруппы путем введения в этой подгруппе новых контрольных точек. Под заданной глубиной поиска неисправности понимается определение места неисправности с точностью до динамического элемента системы. Разбиение на подгруппы динамических элементов осуществляют таким образом, чтобы каждая подгруппа имела один внешний для нее вход и внешний выход. В этом случае подгруппу динамических элементов можно эквивалентно представить одним динамическим элементом. Это обстоятельство определяет равенство диагностических признаков в подгруппе и экономию вычислений при определении только одного диагностического признака для подгруппы. Максимальная экономия вычислительных затрат и числа контрольных точек при отсутствии априорной информации о месте неисправности достигается путем реализации метода "половинного деления", то есть последовательного разбиения дефектной группы на две подгруппы (назначением одной дополнительной контрольной точки). При невозможности такого разбиения, дефектную группу разбивают на минимально возможное число подгрупп больше двух. В предельном случае подгруппа будет содержать один динамический элемент.

Таким образом предлагаемый способ поиска неисправностей сводится к выполнению следующих операций.

1. Фиксируют диапазон изменения частоты тестового сигнала.

2. Фиксируют количество m динамических элементов, входящих в состав объекта диагностирования.

3. Определяют минимально возможное количество групп динамических элементов объекта диагностировния N > 1, таких, что каждая группа имеет один входной и один выходной сигналы.

4. Назначают N контрольных точек для измерения выходных сигналов каждой группы.

5. Определяют модель чувствительности для выбранных контрольных точек и N динамических элементов по одному из каждой группы, где U_jl(ω) = ∂A_j(ω)/∂A^д_i^э(ω) - структурная чувствительность амплитудной частотной характеристики объекта в j-й контрольной точке к изменению амплитудной частотной характеристики 1-го динамического элемента.

6. Определяют отклонения амплитудных частотных характеристик объекта от номинальных для выбранных контрольных точек.

7. Определяют N диагностических признаков для N динамических элементов по одному из каждой группы по формуле (1).

8. По минимуму значения диагностического признака судят о наличии неисправности в группе, т.е. определяют дефектную группу динамических элементов.

9. Если заданная глубина поиска неисправности не достигнута (т.е. дефектная группа состоит более чем из одного динамического элемента), то повторяют операции разбиения дефектной группы, назначения контрольных точек, определения модели чувствительности, отклонения частотных характеристик и вычисления диагностических признаков для определения дефектной подгруппы динамических элементов (т. е. выполняют описанные выше операции 3-8 применительно к дефектной группе).

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска одиночной неисправности для системы, структурная схема которой представлена на рисунке. Пусть передаточные функции системы определяются выражениями:

Примем номинальные значения параметров передаточных функций:
K₁ = 1; T₁ = 5; K₂ = 1; T₂ = 0,5; K₃ = 1; T₃ = 5; K₄ = 1.

Предположим, что в объекте присутствует неисправность, которая проявляется в изменении постоянной времени первого звена (изменение параметра настройки ПИ-регулятора).

Поиск неисправности согласно предлагаемому способу сводится к выполнению следующих операций.

1. Путем анализа графиков номинальных амплитудных частотных характеристик, фиксируют диапазон изменения тестовых частот. Диапазон тестовых частот определяют как диапазон существенных частот, в котором частотные характеристики имеют наибольшие изменения по модулю. Для данного примера диапазон тестовых частот фиксируют от 1 рад/с до 11 рад/с с шагом 1 рад/с.

2. Фиксируют глубину поиска неисправности до динамического элемента системы. Число динамических элементов m=4.

3. Определяют минимальное число групп динамических элементов N=2, такое, что каждая группа имеет один входной и один выходной сигналы (группа 1 и группа 2 на рисунке).

4. Назначают две контрольные точки для измерения выходных сигналов каждой группы (см. чертеж).

5. Определяют функции чувствительности амплитудных частотных характеристик для каждой контрольной точки к изменению частотных характеристик второго и четвертого динамических элементов и номинальные частотные характеристики объекта в каждой контрольной точке.

6. Определяют отклонение частотных характеристик от номинальных в каждой контрольной точке.

7. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправности по формуле (1) для второго и четвертого динамического элемента. Численное моделирование этой задачи на ЭВМ дает: Q₂=0; Q₄ = 1.46.

8. По минимуму значения диагностического признака считают что неисправность содержится в группе 1 (поскольку второй динамический элемент содержится в первой группе).

9. Дефектную (в данном случае - первую) группу разбивают на подгруппы путем назначения третьей контрольной точки на выходе первого динамического элемента.

10. Определяют функции чувствительности амплитудных частотных характеристик для всех контрольных точек к изменению частотных характеристик первого динамического элемента и номинальную частотную характеристику объекта в третьей контрольной точке.

11. Определяют отклонение частотной характеристики объекта от номинальной в третьей контрольной точке.

12. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправностей для первого и второго динамического элементов по информации, снятой в трех контрольных точках. Численное моделирование на ЭВМ этой задачи дает: Q₁ = 0; Q₂ =1.488.

13. По минимуму значения диагностического признака считают неисправным первый динамический элемент.

Анализ результатов применения предлагаемого способа показывает, что по сравнению с прототипом неисправность находится с использованием трех контрольных точек вместо четырех при вычислении трех функций чувствительности и диагностических признаков вместо четырех. Для систем, содержащих большее число динамических элементов, экономия контрольных точек и объема вычислений может быть более существенной.

Формула изобретения

Способ поиска неисправностей в динамических системах, основанный на фиксации диапазона изменения частоты тестового сигнала, количества m динамических элементов, входящих в состав объекта диагностирования, задании его частотной модели в виде матрицы структурной чувствительности амплитудной частотной характеристики объекта к изменению амплитудных частотных характеристик l-х динамических элементов для j-х контрольных точек определении в цикле тестирования диагностических признаков в виде интегральной меры рассогласования модельных и реально наблюдаемых отклонений амплитудных частотных характеристик для l-го динамического элемента Q_l, отличающийся тем, что определяют минимальное количество групп динамических элементов N > 1, имеющих один выходной и один входной сигналы, назначают контрольные точки для измерения выходных сигналов этих групп, определяют отклонение частотных характеристик объекта от номинальных для выбранных контрольных точек, определяют модель чувствительности для выбранных контрольных точек и N динамических элементов по одному из каждой группы, определяют N диагностических признаков для N динамических элементов по одному из каждой группы, по минимуму значения диагностического признака судят о наличии неисправности в группе, если заданная глубина поиска неисправностей не достигнута, то повторяют операции разбиения дефектной группы, назначения контрольных точек, определения модели чувствительности и вычисления диагностических признаков для определения дефектной подгруппы динамических элементов.

РИСУНКИ

Рисунок 1