Способ определения отказавшего датчика в избыточной измерительной системе

Изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано в системах с избыточным количеством датчиков, например датчиков угловой скорости, отказ одного из которых не должен приводить к отказу системы управления. Способ определения отказавшего датчика в избыточной системе основан на периодической проверке соотношения связи измеренных параметров движения, характеризующего исправную работу датчиков, фиксации момента нарушения соотношения связи, задании с этого момента движения, при котором выходной сигнал любого из трех выбранных для управления датчиков устанавливается меньше некоторого заданного малого значения Δ, фиксации показаний контрольного датчика, развороте измерительной системы на заданный угол относительно оси, не параллельной и не ортогональной ни одной из измерительных осей, и повторной фиксации выходного сигнала (a_lf)_н контрольного датчика I, регистрации изменения показаний контрольного датчика и определении отказавшего датчика по результатам изменения показаний. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано в системах с избыточным количеством датчиков, например датчиков угловой скорости, отказ одного из которых не должен приводить к отказу системы управления.

Известен способ определения отказавшего датчика, реализованный в [1], включающий измерение каждым датчиком параметра движения и проверку соотношения связи измеренных датчиками параметров движения, характеризующего исправную работу датчиков.

Недостаток этого способа состоит в том, что он предполагает наличие большого количества избыточных датчиков (сверх трех, не расположенных в одной плоскости, и полностью определяющих вектор параметра движения) и не позволяет определить отказавший датчик при любом числе избыточных датчиков, например при одном.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ, реализованный в [2], включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения a_i, i..=1, 2, … n, где n - число датчиков, периодическую с периодом Т₀ проверку соотношения связи измеренных параметров движения, характеризующего исправную работу датчиков, проведение сравнения показаний a_m каждого датчика на момент времени T_m (m=1, 2, 3, …) нарушения соотношения связи измеренных параметров движения с показаниями a_(m-1) того же датчика на момент времени T_(m-1)=(m-1)·Т₀.

Недостаток этого способа состоит в том, что он не позволяет определить отказавший датчик, если процесс отказа датчика развивается медленно, например, за счет постепенного увеличения сигнала смещения и ухода его за пределы допустимых значений.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей за счет возможности определения отказавшего датчика в условиях медленного изменения сигнала смещения.

Эта задача достигается тем, что способ определения отказавшего датчика в избыточной измерительной системе, включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения a_i, где i=1, 2, … n, n - число датчиков, периодическую с периодом Т₀ проверку соотношения связи измеренных параметров вектора движения, по которому определяют отказ датчика, отличается тем, что с момента нарушения соотношения связи измеренных параметров системе задают движение, при котором выходной сигнал каждого из трех выбранных для управления датчиков p, r и s (p, r, s=1, 2, … n, p≠r≠s) уменьшают до некоторого заданного значения Δ (Δ - малая величина) и при достижении этого значения фиксируют выходной сигнал a_lf любого контрольного датчика I (I=1, 2, … n, I≠p≠r≠s), после чего производят разворот измерительной системы на заданный угол ψ относительно оси, не параллельной и не ортогональной ни одной из измерительных осей, и повторно фиксируют выходной сигнал (a_lf)_н контрольного датчика I, и если разность зафиксированных сигналов a_lf и (a_lf)_н по модулю превышает заданную величину Δ₁, измерительную систему устанавливают в исходное состояние путем поворота на угол минус ψ и затем производят повторение описанных процедур для любого другого сочетания датчиков p, r, s и I до тех пор, разность зафиксированных сигналов a_lf и (a_lf)_н по модулю станет меньше заданного значения Δ₁, при этом отказавшим является датчик I.

На чертеже приведена координатная схема, поясняющая расположение измерительных осей датчиков и направления измеряемых параметров вектора движения. На этой схеме: x, у, z, - направление ортогональных осей базиса, относительно которого производится управление, 1, 2, 3, 4 - направление измерительных осей датчиков, а - направление измеряемого вектора движения, α_х1, α_у1, α_z1 - углы между направлением измерительной оси 1 и соответственно измерительными осями x, у, z.

Реализацию предлагаемого способа определения отказавшего датчика рассмотрим на примере измерительной системы с одним избыточным датчиком угловой скорости при управлении движением твердого тела (космического аппарата). В общем случае измерительная система из трех датчиков угловой скорости, измерительные оси которых не лежат в одной плоскости, полностью определяет вектор угловой скорости космического аппарата а. Избыточная система содержит на один датчик больше - четыре датчика угловой скорости, при этом ни какие три датчика из четырех не лежат в одной плоскости. При отказе одного из четырех датчиков в такой системе существует возможность замены этого датчика, используя показания остальных исправно работающих трех датчиков.

Пусть избыточная измерительная система содержит четыре датчика (фиг.1), измерительные оси которых направлены по координатным осям 1, 2, 3, 4, а их углы расположения относительно ортогонального базиса x, у, z равны α_ki (k=x, у, z, i=1, 2, 3, 4). Введем обозначения:

а - вектор движения, a_i - измерения (выходные сигналы) датчиков, a_k - проекции вектора движения а на оси x, у, z; b_ki=cos α_ki - направляющие косинусы [p, r, s] (p, r, s=1, 2, … n, p≠r≠s) - система из трех выбранных для управления датчиков, I (I=1, 2, … n, I≠p≠r≠s) - контрольный датчик, не использующийся в данный момент в управлении, j - сочетания из трех выбранных для управления датчиков p, r, s системы из n датчиков. Для n=4 число таких сочетаний четыре: j=[1, 2, 3], [1, 2, 4], [1, 3, 4], [2, 3, 4], (пусть p=1, r=2, s=3),

- вектор - столбец проекций a_k вектора а на оси x, у, z, - матрица 3×3 направляющих косинусов b_ki выбранного сочетания j датчиков, - вектор-столбец измерений датчиков выбранного сочетания j.

С учетом введенных обозначений имеем

Если a_X, a_Y, a_Z - проекции вектора движения а, то имеет место соотношение

где a_l - измерение (выходной сигнал) датчика измерительной оси I, I - направление измерительной оси, не совпадающей с осями p, r, s (считаем, что каждый из датчиков p, r, s и I расположен соответственно на оси p, r, s и I). Равенство (2) и есть соотношение связи измеренных параметров движения.

Как следует из (2), величина R равна нулю (близка к нулю), если все четыре датчика исправны. В случае отказа датчика величина R не равна нулю (больше некоторого заданного значения), что свидетельствует о неисправности в системе из четырех датчиков.

Осуществим периодическую с периодом Т₀ проверку соотношения связи параметров движения (2) на равенство нулю (на принадлежность к заданному интервалу) величины R. Пусть в некоторый момент времени T_m=m·Т₀ (m=1, 2 …) произошло нарушение соотношения связи (2), при котором величина R вышла за пределы дозволенных значений. Зададим измерительной системе с помощью системы управления такое движение, при котором выходные сигналы a_p, a_r, a_s датчиков уменьшаются до некоторого заданного значения Δ (Δ - малая величина). Зафиксируем выходной сигнал a_lf контрольного датчика, расположенного по оси I. Пусть нарушение соотношения (2) произошло вследствие выхода за пределы дозволенных значений сигнала смещения датчика 3 (s) и этот сигнал стал равным a_3CM. Введем обозначения: a_iП - фактические показания датчика i, a_i - достоверные значения параметров движения, измеренные датчиком i, a_icм - сигнал смещения датчика i.

Для рассматриваемого случая отказа датчика 3 (сигнал смещения a_3см превысил допустимые значения) имеют место соотношения

Если выходные сигналы a_p, a_r, a_s датчиков p (1), r (2), s (3) сведены к нулю или меньше некоторого заданного значения Δ, то в результате система будет вращаться относительно оси, перпендикулярной плоскости, образованной осями 1 и 2 с угловой скоростью a_BP, при этом проекция a_BP на ось 3 будет равна (-a_3см), а на ось 4 равна a_4вр (см. фиг.1). Показания датчика I (4) будут равны

где φ₁ - угол между вектором вращения a_BP и осью 3, β₁ - угол между вектором вращения a_BP и осью 4. Углы φ₁ и β₁ определяются из (1) с учетом условия (4).

Из (4) имеем

Зафиксируем показания a_4f. Осуществим разворот измерительной системы на фиксированный угол ψ относительно оси, не параллельной и не ортогональной ни одной из измерительных осей (например, относительно оси Z). В качестве угла поворота может быть выбран угол 180° (или другой угол, реализованный в системе). В этом случае объект управления будет продолжать вращение с угловой скоростью, определяемой вектором a_BP. При этом произойдет изменение угла между вектором вращения a_BP и осью 4 и показание датчика I (4) изменится и станет равным (a_4f)_н. Если, например, ψ=180°, то (a_4f)_н=-a_4f. Определим разность показаний Δа₄ в виде

Выберем другое сочетание датчиков: p=2, r=3, s=4, I=1. Проделаем описанные выше операции. В этом случае

где φ₂ - угол между вектором вращения a_BP1 и осью 3, β₂ - угол между вектором вращения a_BP1 и осью I (1). Углы φ₂ и β₂ определяются из (1) с учетом условия (7).

Зафиксируем показания a_lf и осуществим разворот измерительной системы на фиксированный угол относительно той же оси в исходное положение (поворот на угол минус ψ). В этом случае объект управления будет продолжать вращение с угловой скоростью, определяемой вектором a_BP1. При этом произойдет изменение угла между вектором вращения a_BP1 и осью 1 и показание датчика I (1) изменится и станет равным (a_1f)_н. Определим разность показаний Δa₁ в виде

Выберем другое сочетание датчиков: p=1, r=3, s=4, I=2. Проделаем описанные выше операции. В этом случае

где φ₃ - угол между вектором вращения a_BP2 и осью 3, β₃ - угол между вектором вращения a_BP2 и осью I (2). Углы φ₃ и β₃ определяются из (1) с учетом условия (10).

Зафиксируем показания a_2f и осуществим разворот измерительной системы на фиксированный угол ψ относительно той же оси. В этом случае объект управления будет продолжать вращение с угловой скоростью, определяемой вектором a_BP2. При этом произойдет изменение угла между вектором вращения a_BP2 и осью 2 и показание датчика I (2) изменится и станет равным (a_2f)_н. Определим разность показаний Δа₂ в виде

Выберем другое сочетание датчиков: p=1, r=2, s=4, I=3. Проделаем описанные выше операции. В этом случае при сведении к нулю выходных сигналов исправных датчиков p=1, r=2, s=4 система будет неподвижна (отсутствует вращение) и показания контрольного датчика I (3) будут равны

Зафиксируем показания a_3f и осуществим разворот измерительной системы на фиксированный угол относительно той же оси в исходное положение (поворот на угол минус ψ). В этом случае объект управления останется неподвижным. При этом показание датчика I (3) не изменится и будет равным (a_2f)_н=a_3см. Определим разность показаний Δа₃ в виде

Выберем малое значение Δ₁, на которое могут отличаться показания a_3f и (a_3f)_н. В этом случае будут выполняться соотношения

Таким образом, если в качестве контрольного датчика I выбран отказавший, то при развороте измерительной системы на фиксированный угол после задания системе движения, при котором выходные сигналы a_p, a_r, a_s датчиков меньше некоторого заданного значения Δ (Δ - малая величина), показания отказавшего датчика не изменяются.

При использовании известного способа определения отказавшего датчика [2] в случае "медленного " развития отказа, например, за счет увеличения сигнала смещения определение отказавшего датчика в минимально избыточной системе практически не представляется возможным, так как выходные сигналы датчиков на момент времени

T_m нарушения соотношения связи измеренных параметров и на момент времени T_m-1 выполнения соотношения связи измеренных параметров практически будут совпадать и разность Δa_m показаний a_m любого датчика на момент времени T_m и показаний a_m-1 этого же датчика на момент времени T_m-1 будет меньше заданного значения Δ.

Таким образом, рассмотренный способ позволяет определить отказавший датчик в условиях медленного изменения сигнала смещения, что расширяет функциональные возможности системы управления.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных автором решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень». Реализация способа определения отказавшего датчика предполагает проведение стандартных операций измерения параметров движения, фиксации показаний, развороте измерительной системы на заданный угол относительно оси, не параллельной и не ортогональной ни одной из измерительных осей, регистрации изменения показаний и определения отказавшего датчика по результатам изменения показаний.

Литература

1. Авторское свидетельство СССР №613291 от 7.03.78. кл. G05B 15/02, G05D 1/02.

2. Патент Российской Федерации №2244954 от 20.01.2005. кл. G05B 23/02.

Способ определения отказавшего датчика в избыточной измерительной системе, включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения a_i, где i=1, 2, … n, n - число датчиков, периодическую с периодом Т₀ проверку соотношения связи измеренных параметров вектора движения, по которому определяют отказ датчика, отличающийся тем, что с момента нарушения соотношения связи измеренных параметров системе задают движение, при котором выходной сигнал каждого из трех выбранных для управления датчиков p, r и s (p, r, s=1, 2, … n, p≠r≠s) уменьшают до некоторого заданного значения Δ (Δ - малая величина) и при достижении этого значения фиксируют выходной сигнал a_lf любого контрольного датчика I (I=1, 2, … n, I≠p≠r≠s), после чего производят разворот измерительной системы на заданный угол ψ относительно оси, не параллельной и не ортогональной ни одной из измерительных осей, и повторно фиксируют выходной сигнал (a_lf)_н контрольного датчика I, и если разность зафиксированных сигналов a_lf и (a_lf)_н по модулю превышает заданную величину Δ₁, измерительную систему устанавливают в исходное состояние путем поворота на угол минус ψ и затем производят повторение описанных процедур для любого другого сочетания датчиков p, r, s и 1 до тех пор, пока разность зафиксированных сигналов a_lf и (a_lf)_н по модулю станет меньше заданного значения Δ₁, при этом отказавшим является датчик I.