Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала

Изобретение относится к контролю и диагностированию систем автоматического управления и их элементов. Технический результат - расширение функциональных возможностей способа путем применения рабочего диагностирования (без использования тестового воздействия) и уменьшение программных или аппаратных затрат на вычисление весовой функции. Он достигается тем, что в дополнение к известному способу определяют и регистрируют интегральные оценки выходных сигналов с номинальными характеристиками и сигналов m моделей для каждой из k контрольных точек, полученные в результате смены позиции входного сигнала на позицию после каждого из m блоков, для чего в момент подачи тестового или рабочего сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование выходных сигналов системы в каждой из k контрольных точек для весовой функции; определяют и регистрируют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели; определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели; определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек; вычисляют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы. 1 ил.

 

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

Известен способ поиска неисправного блока в динамической системе. (Способ поиска неисправного блока в динамической системе: пат. 2451319 РФ: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Воронин В.В., Киселев В.В., Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2011129533/08; заявл. 15.07.2011; опубл. 20.05.2012, Бюл. №14).

Недостатком этого способа является то, что он использует задание величин относительных отклонений параметров передаточных функций для моделей с пробными отклонениями.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала (Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала: пат. 2528135 РФ: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С. - №2013144231/08; заявл. 01.10.2013; опубл. 10.09.2014, Бюл. №25).

Недостатком этого способа является то, что он обеспечивает определение дефектов только в режиме тестового диагностирования без применения рабочего и с более высокими вычислительными затратами из-за использования весовой функции.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является расширение функциональных возможностей способа путем применения рабочего диагностирования (без использования тестового воздействия) и уменьшение программных или аппаратных затрат на вычисление весовой функции.

Поставленная задача достигается тем, что регистрируют реакцию заведомо исправной системы f_jном(t), j=1,…,k на интервале t∈[0, T_K] в к контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(d), j=1,…,k системы, для чего в момент подачи тестового или рабочего сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование выходных сигналов этой системы для каждой из k контрольных точек с весовой функцией, равной среднему арифметическому значению модулей производных ее выходных сигналов в контрольных точках, где усреднение производится по числу контрольных точек. Для этого на первые входы k блоков перемножения подают выходные сигналы системы, на вторые входы блоков перемножения подают среднее арифметическое значение модулей производных по времени выходных сигналов, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени T_К, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(d), j=1,…, k регистрируют, одновременно определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек и каждой из m позиций входного сигнала, полученные в результате смены позиции входного сигнала после каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы перемещают место подачи входного сигнала на выход каждого блока, подают через сумматор входной сигнал и находят интегральные оценки выходных сигналов системы при том же рабочем или тестовом входном сигнале x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждой из m моделей с различной (зафиксированной на выходах разных блоков) позицией входного сигнала Y_ji(d), j=1,…,k; i=1,…, m регистрируют, одновременно на вход контролируемой системы подают тестовый или рабочий сигнал x(t), определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(d), j=1,…,k, полученные значения регистрируют, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков ΔY_ji(d)=Y_ji(d)-F_jном(d), j=1,…,k; i=1,…, m, определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков из соотношения

определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек ΔF_j(d)=F_j(d)-F_jном(d), j=1,…,k, определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы

определяют диагностические признаки

по минимуму значения диагностического признака определяют неисправный блок.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Способ основан на использовании смены позиции входного сигнала непрерывной динамической системы. Для получения диагностических признаков динамических элементов используются интегральные оценки на временном интервале T_К в k контрольных точках

Весовая функция в формуле (4) в виде среднего значения модулей производных сигналов в контрольных точках несет информацию о важности момента времени с точки зрения скорости изменения выходных сигналов во всех контрольных точках. Чем больше средняя скорость изменения выходных сигналов, тем с большим весом интегрируется выходной сигнал. Используя векторную интерпретацию выражения (3), запишем его в следующем виде

где φ_i(d) - угол между нормированным вектором (вектором единичной длины) деформаций интегральных оценок выходных сигналов объекта с элементами $$\Delta {\widehat{F}}_j\left(d\right)$$ и нормированным вектором (единичной длины) деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели с элементами $$\Delta {\widehat{Y}}_{ji}\left(d\right)$$ , полученными в результате смены позиции входного сигнала i-го блока.

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 выходных сигналов моделей с измененной позицией входного сигнала и реальной деформации интегральных оценок выходных сигналов объекта диагностирования.

Модель с измененной позицией входного сигнала после данного блока, минимизирующей 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 динамических блоков с количеством рассматриваемых 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. Фиксируют число контрольных точек k.

4. Одновременно подают тестовый сигнал x(t) (единичный ступенчатый) или рабочий сигнал на вход системы управления с номинальными параметрами, на вход контролируемой системы, на входы m моделей, полученные в результате смены позиции входного сигнала на позицию после i-го блока каждого из m блоков для номинальных значений параметров передаточных функций блоков.

5. Одновременно регистрируют реакцию системы с номинальными характеристиками f_jном(t), реакцию контролируемой системы f_j(t), реакции моделей с измененной позицией входного сигнала на позицию после i-го блока Y_ji(t) в k контрольных точках j=1,…, k на интервале t∈[0, Т_К].

6. Одновременно определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(d), j=1,…, k системы с номинальными характеристиками, контролируемой системы F_j(d), j=1,…,k, моделей с измененной позицией входного сигнала на позицию после i-го блока Y_ji(d), j=1,…,k; i=1,…, m. Для этого в момент подачи входного сигнала одновременно начинают интегрирование выходных сигналов в каждой из k контрольных точек системы с номинальными характеристиками, контролируемой системы, моделей с измененной позицией входного сигнала, равной среднему арифметическому значению модулей производных сигналов в контрольных точках, где усреднение производится по числу контрольных точек, для чего выходные сигналы каждой системы подают на первые входы k блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают среднее арифметическое значение модулей производных выходных сигналов системы в контрольных точках, где усреднение производится по числу контрольных точек выходных сигналов системы, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени T_К, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(d), F_j(d), j=1,…,k, Y_ji(d), j=1,…, k; i=1,…, m регистрируют.

7. Определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате смены позиции входного сигнала на позицию после i-го блока каждого из m блоков для номинальных значений параметров передаточных функций блоков

ΔY_ji(d)=Y_ji(d)-F_jном(d), j=1,…, k, i=1,…, m.

8. Определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате смены позиции входного сигнала на позицию после соответствующих блоков:

9. Определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(d)=F_j(d)-F_jном(d), j=1,…,k

10. Вычисляют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы по формуле:

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

12. По минимуму значения диагностического признака определяют дефектный блок.

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

Передаточные функции блоков:

$$W_1=\frac{k_1\left(T_{1}p+1\right)}{p}$$ ; $$W_2=\frac{k_2}{T_{2}p+1}$$ ; $$W_3=\frac{k_3}{T_{3}p+1}$$ ,

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 псевдослучайный сигнал (при моделировании использовался блок Band-Limited White Noise в среде Matlab). Время контроля T_К выберем равным 10 с.

При поиске одиночного дефекта в виде отклонения коэффициента усиления k₃=0.8 в третьем звене путем подачи псевдослучайного рабочего входного сигнала и T_К=10 с, получены значения диагностических признаков на основе смены позиции входного сигнала при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J₁=0.143; J₂=0.219; J₃=0.065. Минимальное значение признака J₃ однозначно указывает на наличие дефекта в третьем блоке, а разность между первым и третьим признаками может количественно характеризовать практическую (апостериорную) различимость этого дефекта ΔJ=J₁-J₃=0.078.

Минимальное значение диагностического признака во всех случаях правильно указывает на дефектный блок. Кроме того, заявляемый способ позволяет осуществлять диагностирование в условиях реального функционирования объекта диагностирования (рабочее диагностирование).

Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала, основанный на том, что фиксируют число динамических элементов, входящих в состав системы, определяют время контроля T_К≥T_ПП, используют входной сигнал x(t) на интервале t∈[0,T_К], фиксируют число k контрольных точек системы, регистрируют реакцию контролируемой системы f_j(t), j=1, …, k, регистрируют реакцию системы с номинальными характеристиками f_{j ном}(t), j=1, …, k на интервале t∈[0,T_К] в k контрольных точках, подают сигнал x(t) на вход системы с номинальными характеристиками, на вход контролируемой системы, на входы m моделей с номинальными характеристиками, полученные в результате смены позиции входного сигнала на позицию после каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы перемещают позицию входного сигнала на позиции после каждого рассматриваемого блока, подают туда через сумматор входной сигнал x(t) и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для входного сигнала x(t), определяют интегральные оценки выходных сигналов системы с номинальными характеристиками, для чего в момент подачи входного сигнала на вход системы с номинальными характеристиками начинают интегрирование сигналов системы в каждой из k контрольных точек, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени T_К, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов регистрируют, определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений, определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы, аналогично определяют интегральные оценки выходных сигналов m моделей для каждой из k контрольных точек, полученные в результате смены позиции входного сигнала на позицию после каждого из m блоков, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек, каждой из m моделей с измененной позицией используют для вычисления диагностических признаков, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате смены позиции входного сигнала на позицию после каждого из m блоков, определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате смены позиции входного сигнала на позицию после каждого из m блоков, отличающийся тем, что одновременно подают тестовый или рабочий сигнал x(t) на вход системы с номинальными характеристиками, на вход контролируемой системы, на входы m моделей с номинальными характеристиками, полученные в результате смены позиции входного сигнала на позицию после каждого из m блоков, в качестве динамических характеристик системы используют интегральные оценки, полученные для весовой функции, равной среднему арифметическому модулей производных по времени от выходных сигналов системы в различных контрольных точках, из соотношения , определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(d), j=1, …, k системы с номинальными характеристиками, для чего в момент подачи тестового или рабочего сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование выходных сигналов системы в каждой из k контрольных точек для весовой функции, путем подачи на первые входы k блоков перемножения выходных сигналов системы на вторые входы блоков перемножения подают среднее арифметическое модулей производных по времени от выходных сигналов системы с номинальными характеристиками, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени T_К, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}(d), j=1, …, k регистрируют, аналогично определяют интегральные оценки выходных сигналов m моделей для каждой из k контрольных точек, полученные в результате смены позиции входного сигнала на позицию после каждого из m блоков, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек, каждой из m моделей с измененной позицией входного сигнала Y_ji(d) j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате смены позиции входного сигнала на позицию после каждого из m блоков ΔY_ji(d)=Y_ji(d)-F_{j ном}(d), j=1, …, k; i=1, …, m, определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате смены позиции входного сигнала на позицию после каждого из m блоков по формуле , определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(d)=F_j(d)-F_{j ном}(d), j=1, …, k, вычисляют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы по формуле: , полученные нормированные значения интегральных оценок выходных сигналов используют для вычисления диагностических признаков .