Способ поиска неисправных блоков в динамической системе

Изобретение относится к контролю и диагностированию систем автоматического управления и их элементов. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей способа за счет возможности нахождения одного или сразу нескольких неисправных структурных блоков (кратных дефектов) в динамической системе с произвольным их соединением. Он достигается тем, что в отличие от способа-прототипа фиксируют число m пробных отклонений как общее количество рассматриваемых одиночных и кратных дефектов блоков, пробные отклонения вводят поочередно в параметры каждого блока для одиночных дефектов или в параметры комбинации блоков для кратных дефектов, по минимуму диагностического признака определяют наличие одиночного либо кратного дефекта. 1 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 G05В 23/02, 2010).

Недостатком этого способа является то, что он обеспечивает определение только одиночных структурных дефектов.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является расширение функциональных возможностей способа для нахождения одного или сразу несколько неисправных блоков (кратных дефектов) в динамической системе с произвольным их соединением.

Поставленная задача достигается тем, что предварительно 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 f_jном(α), j=1, …, 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 α=, 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, фиксируют число m рассматриваемых одиночных и кратных дефектов блоков, определяют интегральные оценки сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученных в результате пробных отклонений для m одиночных и кратных дефектов блоков, для чего поочередно в каждый блок или комбинацию нескольких блоков динамической системы вводят пробное отклонение параметра передаточной функции и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра интегрирования 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 P_ji(α), j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений комбинаций параметров разных структурных блоков ΔР_ji(α)=P_ji(α)-F_jном(α), j=1, …, k; i=1, …, m, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений для одиночных и кратных дефектов 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, …, 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, …, 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 или комбинации дефектных блоков.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Способ основан на использовании пробных отклонений параметров модели непрерывной динамической системы.

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

где φ_i(α) - угол между нормированным вектором (вектором единичной длины) отклонений интегральных оценок сигналов объекта и нормированным вектором (единичной длины) отклонений интегральных оценок сигналов модели полученных в результате пробного отклонения i-й комбинации параметров соответствующих структурных блоков.

Таким образом, нормированный диагностический признак (3) представляет собой значение квадрата синуса угла, образованного в k-мерном пространстве (где k - число контрольных точек) нормированными векторами интегральных оценок пробных отклонений сигналов модели и отклонений интегральных оценок сигналов объекта диагностирования.

Пробное отклонение комбинации параметров соответствующих структурных блоков, минимизирующее значение диагностического признака (3), указывает на наличие дефекта или комбинации дефектных блоков. Область возможных значений диагностического признака лежит в интервале [0, 1].

Таким образом, предлагаемый способ поиска неисправных блоков сводится к выполнению следующих операций.

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

2. Предварительно определяют время контроля Т_К≥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 нормированные векторы отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений i-го номера каждого из m одиночных и кратных дефектов блоков и определенного выше параметра интегрального преобразования α, 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(α), j=1, 2,…, k на интервале t∈[0, Т_К] в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1, …, 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 е^-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_jном(α), j=1, …, k регистрируют.

8. Определяют интегральные оценки сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений каждого из m одиночных и кратных дефектов блоков, для чего поочередно для каждой комбинации параметров разных структурных блоков динамической системы вводят пробное отклонение этих параметров 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 и каждого из m пробных отклонений Р_ji(α), j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют.

9. Определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров одного или нескольких структурных блоков ΔР_ji(α)=P_jt(α)-F_jном(α), j=1, …, k; i=1, …, m.

10. Определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров одного или нескольких 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 F_j(α), j=1, …, k, осуществляя операции, описанные в пунктах 6 и 7 применительно к контролируемой системе.

13. 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.

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

.

15. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправного структурного блока или нескольких блоков по формуле (3).

16. По минимуму значения диагностического признака определяют дефектный блок или дефектные блоки.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска кратного дефекта для системы, структурная схема которой представлена на рисунке (см. фиг. Структурная схема объекта диагностирования).

Передаточные функции блоков:

; ; ,

номинальные значения параметров: T₁'=5 с; T₁''=1 с; K₂=1; Т₂=1 с; K₃=1; Т₃=5 с. Определим варианты (m=7) пробных отклонений в виде уменьшения коэффициентов усиления (k₁, …, k₃) каждого динамического блока и комбинаций блоков на 10%: k₁=0.9 (i=1); k₂=0.9 (i=2); k₃=0.9 (i=3); k₁=0.9 и k₂=0.9 (i=4); k₂=0.9 и k₃=0.9 (i=5); k₁=0.9 и k₃=0.9 (i=6); k₁=0.9, k₂=0.9 и k₃=0.9 (i=7). При поиске кратного дефекта в виде отклонения коэффициентов усиления на 20% k₁=0.8, k₂=0.8 и k₃=0.8 (кратный дефект №7) в первом, втором и третьем звене, при подаче ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегральных оценок сигналов для параметра α=0.5 и Т_К=10 с, при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков, используя пробные отклонения величиной 10%, получены значения диагностических признаков по формуле (3): J₁=0.9262; J₂=0.08897; J₃=8552; J₄=0,4849; J₅=0.398; J₆=07402; J₇=0.03559. Анализ значений диагностических признаков показывает, что кратный дефект в первом, втором и третьем структурных блоках контролируемой системы находится правильно. Следует отметить, что способ работоспособен и при больших значениях величин пробных отклонений параметров (10-40%). Ограничением на величину пробного отклонения является необходимость сохранения устойчивости моделей с пробными отклонениями.

Поиск одновременно нескольких дефектов согласно предлагаемому способу применительно к объекту диагностирования, представленному на рисунке, сводится к выполнению следующих операций:

1. Фиксируют число контролируемых одиночных и кратных дефектов m=7.

2. Путем анализа графиков номинальных переходных характеристик, определяют время переходного процесса системы. Для данного примера время переходного процесса составляет Т_ПП=8 с. Фиксируют время контроля Т_К≥Т_ПП. Для данного примера Т_К=10 с.

3. Определяют параметр интегрирования сигналов . Для данного примера α=0.5.

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

5. Предварительно находят элементы векторов ΔP_i(α) отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений параметров всех контролируемых одиночных и кратных дефектов. Величину пробных отклонений выбирают равной 10%.

6. Находят нормированные векторы отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений соответствующих параметров всех контролируемых одиночных и кратных дефектов по формуле (1).

7. Замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, в которую введены отклонения параметров первого, второго и третьего блоков от номинального на 20%. На вход системы подаем аналогичный тестовый сигнал x(t).

8. Определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для трех контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_jном(α), j=1, 2, 3.

9. Вычисляют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы по формуле (2).

10. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправных блоков по формуле (3): J₁=0.9262; J₂=0.08897; J₃=8552; J₄=0.4849; J₅=0.398; J₆=0.7402; J₇=0.03559, где J₁ указывает на дефект в первом блоке, J₂ соответственно указывает на дефект во втором, J₃ указывает на дефект в третьем, J₄ указывает на дефекты в первом и втором блоках, J₅ - на дефекты во втором и третьем блоках, J₆ - на дефекты в первом и третьем блоках, a J₇ - соответственно на дефекты в первом, втором и третьем блоках.

11. По минимуму значения диагностического признака определяют комбинацию кратного дефекта (в данном случае - №7).

Моделирование процессов поиска кратного дефекта при других случаях его проявления для данного объекта диагностирования, при том же параметре интегрального преобразования α и при единичном ступенчатом входном сигнале дает следующие значения диагностических признаков.

При наличии дефектов в блоках №1 и №3 (в виде уменьшения параметров k₁ и k₃ на 20%, кратный дефект №6): J₁=0.9973; J₂=0.9474; J₃=896; J₄=0.9661; J₅=0.8994; J₆=0.1254; J₇=0.7995.

При наличии дефектов в блоках №2 и №3 (в виде уменьшения параметров k₂ и k₃ на 20%, дефект №5): J₁=0.3599; J₂=0.2114; J₃=2875; J₄=0.9719; J₅=0.001142; J₆=0.6733; J₇=0.2007.

При наличии дефектов в блоках №1 и №2 (в виде уменьшения параметров k₁ и k₂ на 20%, дефект №4): J₁=0.7204; J₂=0.7441; J₃=0.7929; J₄=0.009458; J₅=0.9985; J₆=0.9989; J₇=0.7533.

Покажем, что данный способ работоспособен и для поиска одиночных структурных дефектов.

При наличии дефекта в блоке №3 (в виде уменьшения параметра k₃ на 20%, дефект №3): J₁=0.07426; J₂=0.7469; J₃=0; J₄=0.8629; J₅=0.2574; J₆=0.5945; J₇=0.7014.

При наличии дефекта в блоке №2 (в виде уменьшения параметра k₂ на 20%, дефект №2): J₁=0.7842; J₂=0; J₃=0.747; J₄=0.6549; J₅=0.2397; J₆=0.8593; J₇=0.05451.

При наличии дефекта в блоке №1 (в виде уменьшения параметра k₁ на 20%, дефект №1): J₁=0; J₂=0.7841; J₃=0.07425; J₄=0.8032; J₅=0.3313; J₆=0.8379; J₇=0.8003.

Минимальное значение диагностического признака во всех случаях правильно указывает на дефектные блоки.

Способ поиска неисправных блоков в динамической системе, основанный на том, что фиксируют число динамических элементов, входящих в состав системы, определяют время контроля Т_К≥Т_ПП, определяют параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения используют тестовый сигнал на интервале t∈[0, Т_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_K] в k контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1, …, 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 е^-αt, где путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал е^-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, фиксируют число различных пробных отклонений m, определяют интегральные оценки сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений параметров блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы вводят пробное отклонение параметра его передаточной функции и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра α и тестового сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждого пробного отклонения P_ji(α), j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков ΔР_ji(α)=Р_ji(α)-F_jном(α), j=1, …, k; i=1, …, m, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков 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, …, 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 определяют диагностические признаки из соотношения , i=1, …, m, по минимуму диагностического признака определяют дефект, отличающийся тем, что фиксируют число m пробных отклонений как общее количество рассматриваемых одиночных и кратных дефектов блоков, пробные отклонения вводят поочередно в параметры каждого блока для одиночных дефектов или в параметры комбинации блоков для кратных дефектов, по минимуму диагностического признака определяют наличие одиночного либо кратного дефекта.