Способ поиска топологического дефекта в непрерывной динамической системе на основе функции чувствительности
Владельцы патента RU 2613402:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тихоокеанский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к способу поиска топологического дефекта в непрерывной динамической системе. Для поиска топологического дефекта фиксируют определенное число возможных неисправностей, определяют время контроля сравнительно со временем переходного процесса, определяют параметр интегрального преобразования, используют тестовый сигнал и интегральные оценки сигналов, фиксируют число контрольных точек системы, регистрируют реакцию объекта диагностирования и реакцию заведомо исправной системы в контрольных точках определенным образом, определяют интегральные оценки выходных сигналов, регистрируют их, замещают систему с номинальными характеристики контролируемой, подают на вход системы аналогичный тестовый сигнал, определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для каждой из контрольных точек, их отклонения от номинальных значений и нормированные значения отклонений, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для контрольных точек и нормированные значения определенным образом, определяют диагностический признак и по его минимуму определяют топологический дефект. Обеспечивается уменьшение вычислительных затрат, связанных с реализацией моделей с пробными отклонениями. 1 ил.
Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов.
Известен способ поиска неисправностей динамического блока в непрерывной системе (Способ поиска неисправностей динамического блока в непрерывной системе: пат. 2429518 Рос. Федерация: МПК7 G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С. - №2010128421/08; заявл. 08.07.2010; опубл. 20.09.2011, Бюл. №26).
Недостатком этого способа является то, что он позволяет находить только неисправности в виде отклонений параметров передаточной функции системы.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправностей в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений (Способ поиска неисправностей в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений: пат. 2541857 Рос. Федерация: МПК7 G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С. - №2013149468/08; заявл. 06.11.2013; опубл. 16.01.2015, Бюл. №5).
Недостатком этого способа является то, что он использует имитацию изменений межблочных связей блоков диагностируемой системы в моделях с пробными отклонениями.
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является уменьшение вычислительных затрат, связанных с реализацией моделей с пробными отклонениями.
Поставленная задача достигается тем, что регистрируют реакцию заведомо исправной системы fjном(t), j=1, …, k на интервале t∈[0, ТK] в k контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов Fjном(α), j=1, …, k системы, для чего в момент подачи входного сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами , где 
, путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал , выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Тк, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов Fjном(α), j=1, …, k регистрируют, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате использования топологической функции чувствительности, для чего поочередно для каждой из m возможных топологических связей динамической системы соединяют две модели топологической связью: на вход первой модели подают тестовый сигнал x(t), выходом первой модели фиксируют выход блока, к которому подключена рассматриваемая топологическая связь, соединяют выход первой модели со входом второй, входом второй модели фиксируют вход блока, к которому подключена рассматриваемая топологическая связь, снимают выходные сигналы после каждого блока второй модели и находят интегральные оценки выходных сигналов второй модели для параметра α и входного сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждой из m совмещенных моделей с топологической функцией чувствительности Vji(α) j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют, определяют нормированные значения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате совмещенных моделей с соответствующей топологической связью из соотношения
, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный входной сигнал x(t), определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек Fj(α), j=1, …, k для параметра α, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔFj(α)=Fj(α)-Fjном(α), j=1, …, k, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы из соотношения
, определяют диагностические признаки из соотношения 
, i=1, …, m, по минимуму диагностического признака определяют топологический дефект.
Таким образом, предлагаемый способ поиска неисправной топологической связи блоков сводится к выполнению следующих операций:
1. В качестве динамической системы рассматривают систему, состоящую из произвольно соединенных динамических блоков, с количеством рассматриваемых изменений топологических связей блоков m.
2. Предварительно определяют время контроля TК≥TПП, где TПП - 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 
интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате функций чувствительности i-й межблочной связи каждой из m топологических связей всех блоков, для чего выполняют пункты 6-9.
6. Подают входной 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 fjном(t), j=1, …, k на интервале t∈[0, TK] в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов Fjном(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 , где 
, для чего сигналы системы управления подают на первые входы k блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал , выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени TК, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов Fjном(α), j=1, …, k регистрируют.
8. Определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате использования топологической функции чувствительности, для чего поочередно для каждой из m топологических связей блоков динамической системы соединяют топологической связью две модели: на вход первой модели подают тестовый сигнал x(t), выходом первой модели фиксируют выход блока, к которому подключена рассматриваемая топологическая связь, соединяют выход первой модели со входом второй, входом второй модели фиксируют вход блока, к которому подключена рассматриваемая топологическая связь, снимают выходные сигналы после каждого блока второй модели, полученные выходные сигналы для каждой из k контрольных точек и каждой из m совмещенных моделей с топологической функцией чувствительности Vji(α), j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют.
9. Определяют нормированные значения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате использования топологической функции чувствительности соответствующих межблочных связей по формуле 
.
10. Замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой. На вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t).
11. Определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек Fj(α), j=1, …, k, осуществляя операции, описанные в пунктах 6 и 7 применительно к контролируемой системе.
12. Определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔFj(α)=Fj(α)-Fjном(α), j=1, …, k.
13. Вычисляют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы по формуле 
.
14. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправной топологической связи блоков по формуле 
.
15. По минимуму значения диагностического признака определяют топологический дефект.
Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска топологического дефекта для системы, структурная схема которой представлена на чертеже (Структурная схема объекта диагностирования).
Передаточные функции блоков:
,
номинальные значения параметров: Т1=5 с; k1=1; k2=1; Т2=1 с; k3=1; Т3=5 с. При поиске топологического дефекта в виде обрыва связи между первым и вторым звеньями (дефект №1), путем подачи ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегрального преобразования сигналов для параметра α=0.5 и ТК=10 с получены значения диагностических признаков на основе функции чувствительности при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J1=0; J2=0.7536 (обрыв связи между вторым и третьим блоками); J3=0.7892 (обрыв связи между третьим и первым блоками). Минимальное значение признака J1 однозначно указывает на обрыв топологической связи между первым и вторым блоками.
Для сравнения приведем диагностические признаки наличия топологического дефекта в виде обрыва связи между первым и вторым звеньями (дефект №1) при тех же диагностических параметрах, полученные на основе пробных отклонений состояний топологической связи как в прототипе (Способ поиска неисправностей в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений: пат. 2541857 Рос. Федерация: МПК7 G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С. - №2013149468/08; заявл. 06.11.2013; опубл. 16.01.2015, Бюл. №5): J1=0; J2=0.7499 (обрыв связи между вторым и третьим блоками); J3=0.7847 (обрыв связи между третьим и первым блоками).
Моделирование процессов поиска топологических дефектов связей между вторым и третьим, а также третьим и первым блоками для данного объекта диагностирования при тех же диагностических параметрах дает следующие значения диагностических признаков:
При наличии дефекта в виде обрыва топологической связи между вторым и третьим блоками методом функции топологической чувствительности: J1=0.7433; J2=0; J3=0.07391. Для сравнения приведем диагностические признаки наличия топологического дефекта в виде обрыва связи между вторым и третьим звеньями (дефект №2), полученные на основе пробных отклонений состояний топологической связи, как в прототипе: J1=0.7499; J2=0; J3=0.07035.
При наличии дефекта в виде обрыва топологической связи между третьим и первым блоками методом функции топологической чувствительности: J1=0.7783; J2=0.0695; J3=0. Для сравнения приведем диагностические признаки наличия топологического дефекта в виде обрыва связи между третьим и первым звеньями (дефект №3), полученные на основе пробных отклонений состояний топологической связи, как в прототипе: J1=0.7847; J2=0.07035; J3=0.
Минимальное значение диагностического признака во всех случаях правильно указывает на наличие топологического дефекта.
Способ поиска топологического дефекта в непрерывной динамической системе на основе функции чувствительности, основанный на том, что фиксируют число возможных неисправностей m, определяют время контроля ТК≥ТПП, где ТПП - время переходного процесса системы, определяют параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения 
, используют тестовый сигнал на интервале t∈[0,TК], в качестве динамических характеристик системы используют интегральные оценки сигналов, полученные для вещественных значений параметра интегрального преобразования α, фиксируют число k контрольных точек системы, регистрируют реакцию объекта диагностирования ƒj(t), j=1, …, k и реакцию заведомо исправной системы ƒjном(t), j=l, ..., k на интервале t∈[0,ТК] в k контрольных точках, определяют интегральные оценки выходных сигналов Fjном(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 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 Тк, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов Fjном(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 Fj(α), j=1, …, k для параметра α, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔFj(α)=Fj(α)-Fjном(α), j=1, …, k, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы из соотношения 
, определяют диагностический признак, по минимуму диагностического признака определяют топологический дефект, отличающийся тем, что определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате использования топологической функции чувствительности, для чего поочередно для каждой межблочной связи динамической системы соединяют топологической связью две модели, на вход первой модели подают тестовый сигнал, выходом первой модели фиксируют выход блока, к которому подключена рассматриваемая топологическая связь, соединяют выход первой модели со входом второй, входом второй модели фиксируют вход блока, к которому подключена рассматриваемая топологическая связь, и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра α и входного сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждой из m совмещенных моделей с топологической функцией чувствительности Vji(α), j=1, …, k; i=l, …, m регистрируют, определяют нормированные значения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате использования топологической функции чувствительности соответствующих межблочных связей из соотношения 
, определяют диагностические признаки из соотношения
, i=l, …, m, по минимуму диагностического признака определяют топологический дефект.
