Способ поиска неисправного блока в динамической системе

Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов. Техническим результатом является улучшение помехоустойчивости. Регистрируют реакцию заведомо исправной системы на интервале контроля в контрольных точках, определяют несколько интегральных оценок выходных сигналов системы для разных параметров интегрирования, полученные интегральные оценки выходных сигналов регистрируют; определяют несколько отклонений интегральных оценок сигналов модели для каждой из контрольных точек, полученных в результате пробных отклонений параметров блоков, для чего поочередно в каждый блок динамической модели вводят пробное отклонение; определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров структурных блоков; определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений соответствующих параметров блоков; замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для контрольных точек и нескольких параметров интегрирования, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для контрольных точек от номинальных значений, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы. 1 ил.

 

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

Известен способ контроля динамического блока в составе системы управления (Патент РФ №2136033, МКИ⁶ G05B 23/02, 1999), основанный на интегрировании выходного и входного сигналов 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 обеспечивает определение дефектов с невысокой различимостью, то есть обладает невысокой помехоустойчивостью.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является улучшение помехоустойчивости способа диагностирования непрерывных систем автоматического управления путем улучшения различимости дефектов. Это достигается путем применения многократного вычисления интегральных оценок динамических характеристик для нескольких различных значений параметра интегрирования α₁, α₂ … α_n.

Поставленная задача достигается тем, что регистрируют реакцию заведомо исправной системы f_jном(t), j=1, 2, …, k на интервале t∈[0, T_K] в k контрольных точках, и многократно определяют (одновременно) интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α_l), j=1, …, k, l=1, …, n системы для n значений параметра интегрирования α_l, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления для n параметров интегрирования в каждой из k контрольных точек с весами , путем подачи на первые входы k·n блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальные сигналы для n блоков интегрирования, выходные сигналы k·n блоков перемножения подают на входы k·n блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени T_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n регистрируют, определяют интегральные оценки сигналов модели для каждой из k контрольных точек и n параметров интегрирования, полученные в результате пробных отклонений параметров каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы вводят пробное отклонение параметра его передаточной функции и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для n параметров α_l и тестового сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек, каждого из m пробных отклонений и каждого из n параметров интегрирования Р_ji(α_l), j=1, …, k; i=1, …, m; l=1, …, n регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков

ΔP_ji(α_l)=P_ji(α_l)-F_jном(α_l), j=1, …, k; i=1, …, m; l=1, …, n, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков для n параметров интегрирования 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 и для n параметров интегрирования α_l F_j(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования от номинальных значений

ΔF_j(α_l)=F_j(α_l)-F_jном(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n,

определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы для n параметров интегрирования из соотношения

определяют диагностические признаки при n параметрах интегрирования из соотношения:

по минимуму значения диагностического признака определяют неисправный блок.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Способ основан на использовании пробных отклонений параметров модели непрерывной динамической системы. Для получения диагностических признаков динамических элементов используются преобразования по Лапласу временных функций

в области вещественных значений переменной Лапласа p=α_l, в интервале 0≤α_l≤∞. Использование преобразования Лапласа позволяет перейти от обработки временных функций к анализу численных значений их функционалов.

Интегральные преобразования находят на временном интервале Т_k в k контрольных точках при n параметрах интегрирования

Используя векторную интерпретацию выражения (3), запишем его в следующем виде

где φ_i(α_l) - угол между нормированным вектором (вектором единичной длины) отклонений интегральных оценок сигналов объекта с элементами и нормированным вектором (единичной длины) отклонений интегральных оценок сигналов модели с элементами , полученными в результате пробного отклонения параметра i-го блока для l-го параметра интегрирования.

Таким образом, нормированный диагностический признак (3) представляет собой среднее значение n квадратов синусов углов, образованных в k-мерном пространстве (где k - число контрольных точек) нормированными векторами пробных отклонений интегральных оценок сигналов модели и реальной деформации интегральных оценок сигналов объекта диагностирования.

Пробное отклонение параметра блока, минимизирующее значение диагностического признака (3), указывает на наличие дефекта в этом блоке. Область возможных значений диагностического признака лежит в интервале [0, 1].

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

1. В качестве динамической системы рассматривают систему, состоящую из произвольно соединенных m динамических элементов.

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

3. Определяют n параметров кратных 5/T_k многократного интегрирования сигналов.

4. Фиксируют число контрольных точек k.

5. Предварительно определяют нормированные векторы интегральных оценок деформаций сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров i-го блока каждого из m блоков и номинальных значений параметров передаточных функций остальных блоков и n определенных выше параметров α_l, для чего выполняют пункты 6-10.

6. 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.

7. 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_jном(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n системы. Для этого в момент подачи тестового сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование (при n параметрах α_l) сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами , для чего сигналы системы управления подают на первые входы k·n блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальные сигналы , выходные сигналы k·n блоков перемножения подают на входы k·n блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n регистрируют.

8. Определяют интегральные оценки сигналов модели для каждой из k контрольных точек и каждого из n значений параметра интегрирования α_l, полученные в результате пробных отклонений параметров каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы вводят пробное отклонение параметра передаточной функции и выполняют пункты 6 и 7 для одного и того же тестового сигнала x(t). Полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек, каждого из m пробных отклонений и каждого из n параметров интегрирования P_ji(α_l), j=1, …, k; i=1, …, m; l=1, …, n регистрируют.

9. Определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков

ΔP_ji(α_l)=P_ji(α_l)-F_jном(α_l), j=1, …, k; i=1, …, m; l=1, …, n.

10. Определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков по формуле:

.

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

12. Определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования F_j(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n, осуществляя операции, описанные в пунктах 6 и 7 применительно к контролируемой системе.

13. Определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования от номинальных значений

ΔF_j(α_l)=F_j(α_l)-F_jном(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n.

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

.

15. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправного блока (при n параметрах интегрирования) по формуле (3).

16. По минимуму значения диагностического признака определяют дефектный блок.

Поскольку диагностические признаки (3) имеют область возможных значений, ограниченную интервалом [0, 1], то разность между ближайшим к минимальному признаку и минимальным признаком (который указывает на дефектный блок) количественно характеризует различимость данного дефекта с учетом расположения блока на структурной схеме, вида и параметров передаточных функций блоков и всех условий диагностирования, при которых получены эти значения диагностических признаков (вид тестового сигнала, количество и величины параметров α_l, количество и расположение контрольных точек, величина интервала Т_к). Наилучшая различимость дефектов обеспечивается тогда, когда указанная разность равна единице (в терминах векторной интерпретации нормированные векторы деформаций интегральных преобразований динамических характеристик этих блоков для пробных отклонений ортогональны). Наихудшая различимость - когда указанная разность равна нулю (в терминах векторной интерпретации нормированные векторы деформаций интегральных преобразований динамических характеристик этих блоков для пробных отклонений коллинеарные).

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска одиночного дефекта для системы, структурная схема которой представлена на чертеже.

Передаточные функции блоков:

; ; ,

где номинальные значения параметров: T₁=5 с; K₁=1; K₂=1; T₂=1 с; K₃=1; T₃=5 с.

При моделировании в качестве входного сигнала будем использовать единичное ступенчатое воздействие. Время контроля Т_к выберем равным 10 с.

Выберем два параметра интегрирования, кратные : и .

Предварительно находим элементы векторов ΔP_ji(α_l) отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков, для параметров интегрирования: α₁ и α₂. Величину пробных отклонений выбираем 10%.

Моделирование процессов поиска дефектов в первом блоке (в виде уменьшения параметра T₁ на 20%) приводит к вычислению диагностических признаков при двух параметрах интегрирования (α₁=0.1 и α₂=2.5) по формуле (3): J₁=0.0005, J₂=0.8258, J₃=0.1086. Различимость дефекта: ΔJ=J₃-J₁=0.108.

Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного блока при одном параметре интегрирования α=0.5 (Положительное решение от 12.07.2010 г. о выдаче патента на изобретение по заявке №2009123999/08(033242), МКИ⁶ G05B 23/02, 2010): J₁=0, J₂=0.7828, J₃=0.07399. Различимость дефекта ΔJ=J₃-J₁=0.07399.

Приведенные результаты показывают, что фактическая различимость нахождения дефектов этим способом выше, следовательно, выше будет и помехоустойчивость способа.

Моделирование процессов поиска дефектов во втором блоке (в виде уменьшения параметра Т₂ на 20%) для данного объекта диагностирования при тех же параметрах α (α₁=0.1 и α₂=2.5) и при таком же входном сигнале дает следующие значения диагностических признаков:

J₁=0.8372, J₂=0, J₃=0.7669.

Различимость дефекта ΔJ=J₃-J₂=0.7669.

Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного блока при одном параметре интегрирования α=0.5: J₁=0.7828, J₂=0, J₃=0.7462. Различимость дефекта: ΔJ=J₃-J₂=0.7462.

Моделирование процессов поиска дефектов в третьем блоке (в виде уменьшения параметра Т₃ на 20%) для данного объекта диагностирования при тех же состояниях дает следующие значения:

J₁=0.1177, J₂=0.7709, J₃=0.

Различимость дефекта: ΔJ=J₁-J₃=0.1177.

Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного блока при одном параметре интегрирования α=0.5:

J₁=0.07403, J₂=0.7463, J₃=0.

Различимость дефекта ΔJ=J₁-J₃=0.07403.

Минимальное значение диагностического признака во всех случаях правильно указывает на дефектный блок, а способ многократного интегрирования улучшает фактическую различимость дефектов, следовательно, увеличивает помехоустойчивость диагностирования.

Поиск неисправного блока согласно предлагаемому способу сводится к выполнению следующих операций:

1. Фиксируем число динамических элементов m=3.

2. Путем анализа графиков номинальных переходных характеристик, определяем время переходного процесса системы. Для данного примера время переходного процесса составляет T_ПП=8 с. Фиксируем время контроля T_k≥T_ПП. Для данного примера фиксируем T_k=10 c.

3. Определяем два параметра интегрирования сигналов. Для данного примера: α₁=0.25, α₂=2.5.

4. Фиксируем контрольные точки на выходах блоков: k=3.

5. Предварительно находим элементы векторов ΔP_ji(α_l) отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков для двух параметров интегрирования. Величину пробных отклонений выбираем равной 10%.

ΔP₁₁(α₁)=0.05654, ΔP₂₁(α₁)=0.05473, ΔP₃₁(α₁)=0.0334,

ΔP₁₂(α₁)=0.126, ΔP₂₂(α₁)=-0.01417, ΔP₃₂(α₁)=-0.009197,

ΔP₁₃(α₁)=0.4485, ΔP₂₃(α₁)=0.4008, ΔP₃₃(α₁)=-0.03415,

ΔP₁₁(α₂)=0.2281, ΔP_2l(α₂)=0.12, ΔP₃₁(α₂)=0.02183,

ΔP₁₂(α₂)=0.0772, ΔP₂₂(α₂)=-0.06948, ΔP₃₂(α₂)=-0.01263,

ΔP₁₃(α₂)=0.1364, ΔP₂₃(α₂)=0.07179, ΔP₃₃(α₂)=-0.02232.

6. Находим нормированные векторы отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков для двух параметров интегрирования.

, , ,

, , ,

, , ,

, ,

, , ,

, , .

7. Замещаем систему с номинальными характеристиками контролируемой, в которой введено отклонение параметра Т₁ первого блока от номинального на 20%. На вход системы подаем аналогичный тестовый сигнал x(t).

8. Определяем отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для трех контрольных точек и двух параметров интегрирования от номинальных значений

ΔF_j(α_l)=F_j(α_l)-F_jном(α_l), j=1, 2, 3; l=1,2,

ΔF₁(α₁)=0.1214, ΔF₂(α₁)=0.1113, ΔF₃(α₁)=0.0658,

ΔF₁(α₂)=0.4708, ΔF₂(α₂)=0.2478, ΔF₃(α₂)=0.04505.

9. Вычисляем нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы для двух параметров интегрирования

, ,

, , .

10. Вычисляем диагностические признаки наличия неисправного блока по формуле (3): J₁=0.0004, J₂=0.7781, J₃=0.1014.

11. По минимуму значения диагностического признака определяем дефектный блок (в данном случае - №1).

Моделирование процессов поиска дефектов во втором и третьем блоках для данного объекта диагностирования при тех же параметрах α и при единичном ступенчатом входном сигнале в обоих случаях дает достоверные результаты.

Способ поиска неисправного блока в динамической системе, основанный на том, что фиксируют число m динамических элементов, входящих в состав системы, определяют время контроля T_K≥Т_ПП, используют параметр интегрирования сигналов α, используют тестовый сигнал на интервале t∈[0, T_K], в качестве динамических характеристик системы используют интегральные оценки, полученные для вещественных значений α переменной Лапласа, фиксируют число k контрольных точек системы, регистрируют реакцию объекта диагностирования и модели, регистрируют реакцию заведомо исправной системы f_jном(t), j=1, 2, … k на интервале t∈ [0, Т_К] в k контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов 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 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 регистрируют, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений параметров каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы вводят пробное отклонение параметра его передаточной функции и находят интегральные оценки выходных сигналов модели для параметра α и тестового сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждого из m пробных отклонений регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек для параметра α, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы, определяют диагностические признаки, по минимуму диагностического признака определяют неисправный блок, отличающийся тем, что определяют n параметров интегрирования сигналов, кратных , в качестве динамических характеристик системы используют интегральные оценки, полученные для n вещественных значений α_l и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n 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 для n параметров интегрирования с весами в , l=1, …, n, путем подачи на первые входы k·n блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальные сигналы , l=1, …, n, выходные сигналы k·n блоков перемножения подают на входы k·n блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(α₁), j=1, …, k; l=1, …, n регистрируют, определяют интегральные оценки сигналов модели для каждой из k контрольных точек и n параметров интегрирования, полученные в результате пробных отклонений параметров каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической модели вводят пробное отклонение параметра его передаточной функции и находят интегральные оценки выходных сигналов модели для n параметров α₁ и тестового сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек, каждого из m пробных отклонений и каждого из n параметров интегрирования P_ji(α₁), j=1, …, k; i=1, …, m; l=1, …, n регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков
ΔP_ji(α₁)=P_ji(α₁)-F_jном(α₁), j=1, …, k; i=1, …, m; l=1, …, n,
определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков из соотношения определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования F_j(α₁), j=1, …, k; l=1, …, n, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования от номинальных значений ΔF_j(α₁)=F_j(α₁)-F_jном(α₁), j=1, …, k; l=1, …, n,
определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы из соотношения:

определяют диагностические признаки из соотношения:

по минимуму диагностического признака определяют неисправный блок.