Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе

Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов. Технический результата - уменьшение аппаратных и вычислительных затрат, связанных с реализацией вычисления диагностических признаков наличия дефекта. Поставленная задача решается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной системы на интервале в контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов системы, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал, определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для контрольных точек для параметра интегрирования, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для контрольных точек от номинальных значений, определяют знаки отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы для контрольных точек от номинальных значений, производят операцию попарного сравнения элементов вектора топологических связей блока и вектора знаков отклонений интегральных оценок по формуле, производят вычисление бинарных диагностических признаков из соотношения и по единичному значению бинарного диагностического признака определяют структурный блок с дефектом. 1 ил.

 

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

Известен способ поиска неисправного блока в динамической системе (Положительное решение от 12.07.2010 г. о выдаче патента на изобретение по заявке №2009123999/08 (033242), МКИ 6 G05B 23/02, 2010), основанный на пробных отклонениях параметров передаточных функций модели.

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

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе (Положительное решение от 22.07.2011 г. о выдаче патента на изобретение по заявке №2011100409/08 (000540), МКИ⁶ G05B 23/02, 2011).

Недостатком этого способа является то, что он предполагает использование сложных диагностических признаков наличия дефекта в структурном блоке системы.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является уменьшение аппаратных и вычислительных затрат, связанных с реализацией вычисления диагностических признаков наличия дефекта.

Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной системы f_{j ном}(t), j=1, 2,…, k на интервале t∈[0, T_K] в κ контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(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_{j ном}(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.

Затем 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_{j ном}(α), j=1, 2,…, k.

Определяют знаки отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений sign(ΔF_j(α)), j=1, 2,…, k.

Затем производят операцию попарного сравнения элементов вектора топологических связей i-го блока P_ji, j=1, 2,…, k; i=1, 2,…, m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(ΔF_j(α)), j=1, 2,…, k по формуле:

Поскольку операция ≡ есть операция эквивалентности, то выражение (1) принимает значение 1 только в том случае, когда все элементы векторов P_ji, j=1, 2,…, k и sign(ΔF_j(α)), j=1, 2,…, k для каждой контрольной точки попарно равны.

Затем производят операцию попарного сравнения элементов инверсии вектора топологических связей i-го блока inν(P_ji), j=1, 2,…, k; i=1, 2,…, m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(ΔF_j(α)), j=1, 2,…, k по формуле:

Поскольку операция ≡ есть операция эквивалентности, то выражение (2) принимает значение 1 только в том случае, когда все элементы векторов inν(P_ji), j=1, 2,…, k и sign(ΔF_j(α)), j=1, 2,…, k для каждой контрольной точки попарно равны.

Затем производят вычисление бинарных диагностических признаков из соотношения:

Первое слагаемое формулы (3) принимает значение 1, если знаки отклонений интегральных оценок сигналов совпадают с элементами вектора топологических связей, второе слагаемое формулы (3) принимает значение 1, если знаки отклонений интегральных оценок сигналов совпадают с инвертированными элементами вектора топологических связей. Инверсия вектора топологических связей учитывает возможность проявления дефекта одного и того же блока как со знаком плюс (например, увеличение значения параметра блока), так и со знаком минус (например, уменьшение значения параметра блока).

По единичному значению бинарного диагностического признака определяют структурный блок с дефектом.

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 блоков.

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 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. 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_{j ном}(t), j=1, 2,…, k на интервале t∈[0, Т_К] в κ контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов

F_jном(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_{j ном}(α), j=1, 2,…, k регистрируют.

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

9. Определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(α), j=1, 2,…, k, осуществляя операции, описанные в пунктах 6 и 7 применительно к контролируемой системе.

10. Определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_{j ном}(α), j=1, 2,…, k.

11. Определяют знаки отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы для κ контрольных точек от номинальных значений sign(ΔF_j(α)), j=1, 2,…, k.

12. Производят операцию попарного сравнения элементов вектора топологических связей i-го блока P_ji, j=1, 2,…, k; i=1, 2,…, m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(ΔF_j(α)), j=1, 2,…, k по формуле:

13. Производят операцию попарного сравнения элементов инверсии вектора топологических связей i-го блока inν(P_ji), j=1, 2,…, k; i=1, 2,…, m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(ΔF_j(α)), j=1, 2,…, k по формуле:

14. Производят вычисление бинарных диагностических признаков из соотношения:

15. По единичному значению бинарного диагностического признака определяют структурный блок с дефектом.

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

Передаточные функции блоков:

; ; ,

номинальные значения параметров: K₁=1; Т₁=5 с; K₂=1; Т₂=1 с; K₃=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: Р₁=(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 с (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 бинарных диагностических признаков наличия дефекта по формуле (3) при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков. Дефект, вычисленный по формуле (3), дает следующие значения бинарных диагностических признаков: J₁=1; J₂=0; J₃=0.

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 бинарных указателей:

При наличии дефекта в блоке №2 (в виде уменьшения параметра Т₂ на 20%, дефект №2): J₁=0; J₂=1; J₃=0.

При наличии дефекта в блоке №3 (в виде уменьшения параметра Т₃ на 20%, дефект №3): J₁=0; J₂=0; J₃=1.

Единичное значение бинарного диагностического признака во всех случаях правильно определяет 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_K≥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_{j ном}(t), j=1, 2,…, k на интервале t∈[0,Т_K] в k контрольных точках, определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(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 е^-αt, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_K, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}(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_{j ном}(α), j=1,…, k, определяют элементы топологических связей каждого блока, входящего в состав системы для каждой контрольной точки P_ji, j=1,…, k; i=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, отличающийся тем, что определяют знаки отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений sign((ΔF_j(α)), j=1, 2,…, k, производят операцию попарного сравнения элементов вектора топологических связей i-го блока P_ji, j=1, 2,…, k; i=1, 2,…, m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign((ΔF_j(α)), j=1, 2,…, k по формуле: производят операцию попарного сравнения элементов инверсии вектора топологических связей i-го блока inν(P_ji), j=1, 2,…, k; i=1, 2,…, m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign((ΔF_j(α)), j=1, 2,…, k no формуле: производят вычисление бинарных диагностических признаков из соотношения: по единичному значению бинарного диагностического признака определяют структурный блок с дефектом.