Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе

Данное изобретение относится к контролю и диагностированию систем автоматического управления и их элементов. Техническим результатом является уменьшение аппаратных и вычислительных затрат, связанных с реализацией пробных отклонений параметров модели. Он достигается тем, что в отличие от известного способа поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе определяют элементы топологических связей каждого блока, входящего в состав системы, для каждой контрольной точки P_ji, j=1, …, k; j=1, …, m, элементы P_ji определяют из множества значений {-1,0,1}, значение -1 определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отрицательный, значение 0 определяют, если передача сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отсутствует, значение 1 определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки положительный, определяют нормированные значения элементов вектора топологических связей для каждого блока, вычисляют диагностические признаки и по минимуму диагностического признака определяют дефект. 2 ил.

 

Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов.

Известен способ диагностирования динамических звеньев систем управления (Патент РФ №2110828, МКИ⁶ G05B 23/02, 1998), основанный на интегрировании выходного сигнала блока с весом e^-αt, где α - вещественная константа.

Недостатком этого способа является то, что его применение для контроля нескольких блоков системы управления произвольной структуры приводит к необходимости интегрирования входных и выходных сигналов каждого контролируемого блока.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправного блока в динамической системе (Положительное решение от 12.07.2010 г. о выдаче патента на изобретение по заявке №2009123999/08(033242), МКИ⁶ G05B 23/02, 2010).

Недостатком этого способа является то, что он использует несколько моделей с пробными отклонениями параметров передаточных функций блоков.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является уменьшение аппаратных и вычислительных затрат, связанных с реализацией пробных отклонений параметров модели.

Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной системы f_jном(t), j=1, 2, …, k на интервале t∈[0,T_K] в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1, 2, …, k системы, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами e^-αt, где , путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал e^-αt, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jнoм(α), j=1, 2, …, k регистрируют, фиксируют число m блоков системы, определяют элементы топологических связей каждого блока, входящего в состав системы для каждой контрольной точки P_ji, j=1, 2, …, k; i=1, 2, …, m, элементы P_ji определяют из множества значений {-1,0,1}, значение -1 определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отрицательный, значение 0 определяют, если передача сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отсутствует, значение 1 определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки положительный. Элементы топологических связей P_ji используют в заявляемом способе вместо изменений интегральных оценок сигналов модели для всех контрольных точек, полученные для пробных отклонений параметров блоков.

Таким образом, точные изменения интегральных оценок сигналов модели для всех контрольных точек, полученные для пробных отклонений параметров блоков, которые использовались для поиска дефектов в прототипе, заменяются в предлагаемом способе на элементы из множества {-1,0,1}, которые несут информацию о соотношении их знаков. Такой приближенный подход позволяет упростить алгоритм диагностирования. Поскольку диагностический признак в прототипе представляет собой квадрат синуса угла между вектором изменений интегральных оценок сигналов контролируемой системы и вектором интегральных оценок деформаций сигналов, полученных для пробных отклонений параметров блоков, погрешность замены точных значений интегральных оценок деформаций сигналов, полученных для пробных отклонений параметров блоков на значения из множества {-1,0,1}, можно пояснить чертежом, на котором для случая двух контрольных точек в объекте показаны возможные направления векторов топологических связей (см. фиг.1). Поскольку свойство диагностического признака, используемого как в прототипе, так и в заявляемом способе, таково, что противоположные направления векторов пробных отклонений (и топологических связей) дают одинаковые значения этого признака, то максимальная погрешность, вызванная заменой векторов пробных отклонений на векторы топологических связей, выраженная в угловых единицах, равна .

Затем определяют нормированные значения вектора топологических связей для каждого блока из соотношения

замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(α), j=1, 2, …, k для параметра интегрирования α, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_jном(α), j=1, 2, …, k, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы из соотношения

определяют диагностические признаки из соотношения

по минимуму значения диагностического признака определяют порядковый номер дефектного блока.

Таким образом, предлагаемый способ поиска неисправного блока сводится к выполнению следующих операций:

1. В качестве динамической системы рассматривают систему, состоящую из произвольно соединенных динамических блоков, с количеством рассматриваемых блоков m.

2. Предварительно определяют время контроля T_K≥Т_ПП, где Т_ПП - время переходного процесса системы. Время переходного процесса оценивают для номинальных значений параметров динамической системы.

3. Определяют параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения .

4. Фиксируют число контрольных точек k.

5. Предварительно определяют элементы топологических связей каждого блока, входящего в состав системы для каждой контрольной точки, P_ji, j=1, 2, …, k; i=1, 2, …, m, элементы P_ji определяют из множества значений {-1,0,1}, значение -1 определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отрицательный, значение 0 определяют, если передача сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отсутствует, значение 1 определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки положительный.

6. Определяют нормированные значения элементов вектора топологических связей для каждого блока из соотношения:

.

7. Подают тестовый сигнал x(t) (единичный ступенчатый, линейно возрастающий, прямоугольный импульсный и т.д.) на вход системы управления с номинальными характеристиками. Принципиальных ограничений на вид входного тестового воздействия предлагаемый способ не предусматривает.

8. Регистрируют реакцию системы f_jном(t), j=1, 2, …, k на интервале t∈[0,T_K] в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jнoм(α), j=1, 2, …, k системы. Для этого в момент подачи тестового сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами e^-αt, где , для чего сигналы системы управления подают на первые входы k блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал e^-αt, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jнoм(α), j=1, 2, …, k регистрируют.

9. Замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой. На вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t).

10. Определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(α), j=1, 2, …, k, осуществляя операции, описанные в пунктах 7 и 8 применительно к контролируемой системе.

11. Определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_jнoм(α), j=1, 2, …, k.

12. Вычисляют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы по формуле:

.

13. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправного структурного блока по формуле (3).

14. По минимуму значения диагностического признака определяют дефектный блок.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска дефекта для системы, структурная схема которой представлена на фиг.2.

Передаточные функции блоков:

; ; ,

номинальные значения параметров: K₁=1; Т₁'=5 с; T₁′′=1 с; К₂=1; Т₂=1 с; К₃=1; Т₃=5 с.

Определим элементы топологических связей каждого блока, входящего в состав системы для каждой контрольной точки P_ji, j=1, 2, 3; i=1, 2, 3, знак передачи сигнала от выхода первого блока до первой контрольной точки положителен, поэтому Р₁₁=1, знак передачи сигнала от выхода первого блока до второй контрольной точки положителен, поэтому P₂₁=1, знак передачи сигнала от выхода первого блока до третьей контрольной точки положителен, поэтому P₃₁=1, таким образом, вектор топологических связей первого блока будет иметь вид: P₁=(1,1,1). Для второго блока знак передачи сигнала от его выхода до первой контрольной точки отрицателен, а для второй и третьей контрольных точек - положителен, поэтому вектор топологических связей для второго блока будет иметь вид: Р₂=(-1,1,1). Для третьего блока вектор топологических связей будет иметь вид: P₃=(-1,-1,1).

При поиске одиночного дефекта в виде отклонения постоянной времени T₁′=4 c (дефект №1) в первом звене путем подачи ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегральных оценок сигналов для параметра α=0.5 и Т_к=10 с получены значения диагностических признаков по формуле (3) при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков. Дефект, вычисленный по формуле (3), дает следующие значения диагностических признаков: J₁=0.2237; J₂=0.9954; J₃=0.5093.

Моделирование процессов поиска дефектов во втором и третьем блоках для данного объекта диагностирования, при том же параметре интегрирования α и при единичном ступенчатом входном сигнале дает следующие значения диагностических признаков:

При наличии дефекта в блоке №2 (в виде уменьшения параметра T₂ на 20%, дефект №2): J₁=0.9666; J₂=0.2918; J₃=0.8916.

При наличии дефекта в блоке №3 (в виде уменьшения параметра Т₃ на 20%, дефект №3) J₁=0.4718; J₂=0.9483; J₃=0.2549.

Минимальное значение диагностического признака во всех случаях правильно указывает на дефектный блок.

Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе, основанный на том, что фиксируют число блоков m, входящих в состав системы, определяют время контроля Т_к≥Т_пп, где Т_пп - время переходного процесса системы, определяют параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения , используют тестовый сигнал на интервале t∈[0,T_k], в качестве динамических характеристик системы используют интегральные оценки сигналов, полученные для вещественных значений α переменной Лапласа, фиксируют число k контрольных точек системы, регистрируют реакцию объекта диагностирования и реакцию заведомо исправной системы f_jном(t), j=1, 2, …, k на интервале t∈[0,T_k] в k контрольных точках, определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1, …, k исправной системы, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами е^-αt, где путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал e^-αt, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1, …, k регистрируют, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(α), j=1, …, k для параметра α, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_jном(α), j=1, …, k, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы из соотношения отличающийся тем, что определяют элементы топологических связей каждого блока, входящего в состав системы для каждой контрольной точки P_ji, j=1, …, k; j=1, …, m, элементы P_ji определяют из множества значений {-1,0,1}, значение -1 определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отрицательный, значение 0 определяют, если передача сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отсутствует, значение 1 определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки положительный, определяют нормированные значения элементов вектора топологических связей для каждого блока из соотношения вычисляют диагностические признаки из соотношения по минимуму диагностического признака определяют дефект.