Способ диагностирования состояния технического объекта с выбросами параметров и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, используемых в системах контроля и диагностики сложных технических объектов, и может быть применено в анализаторах случайных процессов с выбросами, например, в системах термоконтроля судовых дизелей. Цель изобретения - повышение достоверности диагностирования. Сущность изобретения состоит в использовании нового диагностического параметра - показателя закона распределения XN-квадрат - для выделения трех стадий функционирования технического объекта: приработки

нормальной эксплуатации

износа узлов, а также в предсказании по выявленному диагностическому параметру на третьей стадии момента предполагаемой неисправности, связанной с учащающимися выбросами. 2 о.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1573461 (51)5 G 06 F 15 46

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4399624/24-24 (22) 06.01.88 (46) 23.06.90. Бюп. У 23 (71) Новороссийское высшее инженерное морское училище (72) Е.П.Демиденко и Г.Н.Запорожцев (53) 621.396 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р .1173395, кл. G 05 В 23/02, 1984.

Атанасов А.Н. и др. Диагностика судовых дизельных установок с помощью ЭЦВМ. — Судовые энергетические установки. Сб. научи.трудов ЦНИИМФ.

Л. 1976, вып.214, с.38-53. (54) СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СОСТОЯ НИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА С ВЫБРОСАМИ

ПАРАМЕТРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к автомаИзобретение относится к автоматике и вычислительной технике, используемых в системах контроля и диагностирования сложных технических объектов, и может быть применено в анализаторах случайных процессов с выбросами, например в системах термоконтроля судовых дизелей.

Цель изобретения — повышение достоверности диагностирования.

На фиг.1 даны матрицы динамики изменений; на фиг.2 — устройство для реализации способа; на фиг.3 — блок вычисления статистических характеристик. тике и вычислительной технике, используемых в системах контроля и диагностики сложных технических объектов, и может быть применено s анализаторах случайных процессов с выбросами, например в системах термоконтроля судовых дизелей. Цель изобретения — повышение достоверности диагностирования. Сущность изобретения состоит в использовании нового диагностического параметра — показателя закона распределения хи-квадрата для выделения трех стадий функционирования технического объекта: приработки, нормальной эксплуатации, износа узлов, а также в предсказании по выявленному диагностическому параметру на третьей стадии момента предполагаемой неисправности, связанной с учащающимися выбросами. 2 с.п. ф-лы.

3 ил.

Сущность изобретения состоит в использовании нового диагностического параметра, выявленного для технических объектов указанного класса выброса случайного процесса, т.е. кратковременного увеличения измеряемой величины за пределы допуска, кроме того, в учете свойств нового параметра не как переменной во времени величины, а как представителя генеральной совокупности значений случайного процесса, и, наконец, в установлении связи стохастических свойств случайного процесса с выбросами с изменением состояния диагностируемого технического объекта.

15734б1

И зобр<.тение относится к классу объект в, параметры которых наряду со слус айным изменением Внутри Опреде ленного допуска имеют тенденцию к выбросам за его пределы в сторону увеличения их значений„ Причем характер выброса в ходе эксплуатации технического объекта претерпевает три стадии.

Первая иэ стадий связана с приработкой узлов технического объекта и характеризуегся повышенной частотой вЫбросов. Вторая стадия — период исправного функционирования — связана с регулярными относительно редкими вь!бросами.

Наконец, третья стадия (стадия износа узлов) харак1 еризуется увеличенной вероятностью возникновения неисправностей, требующих ремонта. Число выбросов на этой стадии может как сократиться, так и возрасти. Изменяется их длительность, амплитуда и другие параметры.

К таким объектам, например, относится судовой малооборотный дизель.

Из-за наличия замков поршневых колец, вращения колец при перемещениях поршня и периодического прорыва газов вдоль поршня через замки и другие зазоры температура втулки дизеля как случайная величина скачкообразно увеличивается. На стадии приработки поршневых колец выбросы температуры имеют учащенный характер. Затем в период исправного функционирования дизеля выбросы регулярны и относительно редки. При повышенном нагарообразовании непосредственно перед закоксовыванием поршневых колец выбросы температуры могут исчезнуть. Наоборот, при изменении геометрии кольца вследствие выгорания смазки, перегрева и другие выбросы учащаются из-за возникновения дополнительных зазоров.

Случайный процесс изменения значений параметров технических объектов указанного класса по известным способам контролируется периодически путем единичного замера значения слу айного процесса и его сравнения с допуском. При этом период замеров иа два порядка выше их длительности.

Так, например, температура втулки дизеля замеряется несколько раз в сутки кратковременно. Выброс. при таком контроле воспринимается как превышение значением случайного процесса установленного допуска. 8 изнестном способе такие значения вообще исклюл 2 6

Д(, К У

2 где К = -- — — — количество отсчетов

48 за период

Ме 2 ма с

20 f „„„„- максимальная частота спектра выброса; (д — погрешность аппроксимации случайного процесса при дискретном измерении.

Определяют дополнительную статистическую характеристику распределения случайной величины параметра. В силу специфики технических объектов рассматриваемого класса фиксируемые с повышенной частотой выбросы за пределы верхней границы допуска порождают асимметричность и подчинение технит ческого параметра закону X распределения, т.е. распределения величины

25 (х -х)

Л.

У

g2 (2) 4р или

Х и Я /б

Я Z где n S = > (х ° -х) у

n — число степеней свободы; с

S — выборочная дисперсия; — генеральная дисперсия; х — математическое ожидание.

Затем проводят серию контрольных циклов и сравнивают результаты каждого очередного цикла с результатами предыдущего. По результатам такого сравнения выделяют этапы протекания

55 случайного процесса и соответствующие этапы функционирования технического объекта. Первый этап завершается при стабилизации статистических харак— и теристик х, S и и на одном уровне. чаются из статистики.

5 Способ реализуют следующим обра зом.

Проводят измерения технического параметра с увеличенной частотой. Их период определяют исходя иэ частотных

1р характеристик выброса но формуле Котельникова

1573461

45 — Г и и и

«а2 «аи j (3) 50 де

1 при j

0 при а I

55 значение j-й стахарактеристики

О ° -д-й допуск на

1 тистической (п или S ) Он соответствует приработке узло технического объекта.

В начале второго этапа эти характеристики принимают за эталонные«

2 5 причем G считается равной стабилизированному значению S поскольку этап нормального функционирования технического объекта наиболее продолжителен. Статистика, получаемая на втором этапе, составляет подавляющий объем генеральной совокупности. В свою очередь, природа протекания данного этапа такова, что случайньп": процесс в течение его стационарен. Следова- 15

2 тельно, S неизменна. Второй этап наиболее продолжителен. Если выброс параметра длится, например, для температуры втулки цилиндра малооборотного судового дизеля 15-30 мин, то этап нормального работоспособного состояния составляет несколько лет. Однако для выделения второго этапа достаточно зафиксировать неизменность х,S и и в течение нескольких суток, т.е. соотношение между длительностью выброса и периодом, в течение которого наступает второй этап, i/300-1/500.

Сокращение либо увеличение числа выбросов свидетельствует о наступлении третьего этапа. Такое изменение выражается в положительном либо отрицательном приращениях статистических характеристик и немедленно обнаруживается контрольно-измерительной аппа- 35 ратурой, реализующей данный способ.

На третьем этапе происходит износ узлов технического объекта, поэтому диагностирование приобретает особую важность. На этапе износа оно осущест- 40 вляется согласно изобретению штатными средствами автоматики по изменениям во времени логических комбинаций, представленных булевыми векторами и ли 2 . 2 2.

5 з 5 1 1 а = а,,а,...,а

Динамика изменения и и S представляется булевыми матрицами (фиг.1а,б), каждая строка которой есть вектор а« в Фиксированный момент времени, соответствующий случаю, когда число степеней свободы и остается неизменным

Ф на протяжении серии из четырех контрольных циклов. Фиг.1г соответствует ситуации, когда выборочная дисперсия

S монотонно возрастает на протяжении серии из четырех контрольных циклов.

На основании этих матриц принимается решение о характере неисправности, причем число различных дефектов по сравнению с известным устройством увеличивается на несколько порядков.

Так, диагностирование ситуации, описываемой матрицами на фиг.1в,г одновременно, позволяет сделать вывод об учащении выбросов либо об увеличении их амплитуды. Одновременное монотон2 ное увеличение п и S свидетельствует об исчезновении выбросов (закон

Х преобразуется в нормальный) и одновременном увеличении колебаний параметра и др.

Способ реализуется с помощью устройства (фиг.2).

Устройство содержит датчик 1 параметров, генератор 2 тактовых импульсов, блок 3 вычисления статистических характеристик, первый регистр

4, элементы 5л — 5 задержки, элементы 6 — 6 э сравнения, переключатель

7 режимов, состоящий из элемента ИЛИ

8, элемента НЕ 9, элемента 10 запрета, счетчика 11 и триггера 12, первый 13< и второй 132 ключи, первую

14 < — 14 и вторую 15 л — 15 д группы пороговых элементов, первый 16 и второй 17 дешифраторы, группу вторых триггеров 18 л — 18 м и блок 19 индикаторов.

Блок 3 вычисления статистических характеристик (фиг.3) содержит ключ

20, одновибратор 21, первый 22, второй 23 и третий 24 элементы дифференцирования, первый 25 и второй 26 элементы деления, первый 27 и второй 28 накапливающие сумматоры, элемент 29 задержки, первый 30, второй 31 и третьи 32< — 32 элементы вычитания, первый счетчик 33, многоканальный элемент 34 сравнения, генератор 35 тактовых импульсов, второй счетчик

36, третьи счетчики 37 1 — 37, третьи элементы 38 л — 38 деления, узел

39 задания значений плотности распре1573461 деления Х, первый 40, вторые 41„

41 < кнадраторы, сумматор 42, элемент

43 сравнения и элемент 44 памяти.

Регистр 4 — регистр параллельного

5 приема и параллельной выдачи информации. 1? е истры 18 — 18 — последо1(2М нательного приема и сдвига. При поступлении в их первые разряды значения логической единицы или логического нуля содержимое всех разрядов сдвигается на один разряд нправо.

Дифференцирующий элемент 22 срабатывает по переднему фронту импульса однонибратора 21 а элемент 23 по заднему фронту того же импульса.

Узел 39 содержит значения известной математической зависимости

0 при У<0, у (4)

Y p приY)0, l (2) 2 где à — гамма-функция;

n — число степеней свободы;

Y — аргумент функции, принимающий К значений. 30

На выходе узла 39 для каждого значения и, поступающего на его вход со счетчика 36, присутствует К значений плотности вероятности распределения величины Х

Устройство работает следующим образом.

Обнуляются регистр 4, счетчики 11, 33,36 и 37„ — 37к, сумматоры 27,28 и

42, триггер 12.

Запускается генератор 2, импульсы начинают поступать на тактирующий вход блока 3. Значения расчетных ста° 2 тистических характеристик х, S и и поступают на входы разрядов регистра 45

4 с частотой, равной частоте контрольных циклов или пропорциональной ей.

В элементах 5 — 5з осуществляется задержка длительностью в контрольный цикл, поэтому на входы элементов 6

6 поступают значения характеристик текущего и предыдущего циклов. Если эти значения не равны между собой либо отличаются более чем на заданную неличину, на выходе соответствующего

5S элемента 6 имеется единичный сигнал.

Данный сигнал порождает такой же . сигнал на выходе элемента 8. Элемент

9 иннертирует логическую "1", поэтому на счетный вход с.чет ика 11 сигналы не поступают. Данная ситуация сохраняется на протяжении всего первого этапа протекания случайного процесса, когда идет приработка технического объекта, а статистические характеристики меняют свои значения.

При стабилизации значений характеристик элементы б, — б > выдают нулевые сигналы, что приводит к возникновению единично о сигнала на выходе элемента 9 и записи в счетчик 11 числа, соответствующего количеству совпадений значений характеристик на соседних контрольных точках. Любое несовпадение соседних значений характеристик приводит к обнулению счетчика 11 подачей единичного сигнала на вход его обнуления. При сохранении стабильных значений характеристик в течение заданного количества контрольных циклов счетчик переполняется. Импульсом переполнения триггер

12 устанавливается в единичное состояние. Логическая единица с выхода триггера 12 закрывает элемент 10, прекращает подсчет числа совпавших значений. Переключатель 7 подает единичный сигнал на управляющие входы ключей 13„ — 132, открывает путь для прохождения па элементы 14 — 14д и

15 — 15 значений характеристик и L и S . Заканчивается работа устройства, соответствующая второму этапу протекания случайного процесса.

На третьем этапе, когда осуществляется диагностика неисправностей, 2 значени» и и S поступают на входы элементов 14 — 14 или 151 — 15, .

В зависимости ат значения величины и или S на выходах соответствующих

2 элементов появляется единичный сигнал . На дешифраторы 16 и 17 поступают соответствующие коды. В результате дешифрации этих кодов на первые ячейки двух регистров из числа регистров 18 „— 18 < поступают единичные сигналы. Загораются индикаторы, соответствующие тем разрядам регистров, в которые записаны логические

Смена содержимого ячеек регистров 18 „ — 18 осуществляется по командам с генератора 2, поступающим на тактовые входы элементов 14 — 14 и 15 ) — 15д. Информация, представленная индикаторами, соответствует диагностическим матрицам (фиг.1в,г).

9 (Информация ячеек регистров 18 и18, по желанию разработчика может быть дешифрирована в соответствии с конкретной схемой распознавания неисправностей.

Средства дешифрации на чертеже фиг.2 не указаны ввиду их частного характера для каждого отдельного случая использования устройства.

Блок 3 работает следующим образом.

Импульс, поступающий на тактовый вход блока от генератора 2, запускает одновибратор 21, который выдает длинный импульс, соответствующий длительности контрольного цикла. По переднему фронту импульса одновибратора срабатывает элемент 22, который подает команду на запись числа, большего любой заранее заданной величины, в элемент 44. По переднему фронту импульса с одновибратора 21 открывается ключ 20, и значения случайного процесса начинают поступать на элементы 24 и 27. В элементе 27 они суммируются, а в элементе 24 инициируют импульсы, поступающие на вход счетчика 33 и осуществляющие подсчет числа суммированных значений. В результате деления в элементе 25 образуется текущее значение математического ожидания случайного процесса — х. Оно выдается на первый выход блока, С задержкой в элементе 29 длительностью,. необходимой для получения достоверного значения х, значения случайного процесса начинают поступать на элемент 30, где осуществляется вычитание, и далее на входы квадратора 40, где нормированное значение случайного процесса возводится в квадрат. После накопления в сумматоре 28 сумма нормированных квадраторов поступает на вход делимого элемента 26. На вход делителя данного элемента поступает величина п-1, определенная в элементе

31. Вычисленное значение выборочной ,й дисперсии S поступает на второй выход блока.

По командам с выхода элемента 24 значения случайного процесса подаются также на вход элемента 34, где сравниваются также на вход элемента 34, где сравниваются с группой допусков.

Значение, попавшее в соответствующий допуск, порождает выходной импульс на соответствующем выходе элемента

34. Данный импульс заносится в соот73461 I0 ветствующий счетчик 37. Ilci Окончлнии контрольного цикла срлблтывлет элемент 23. Импульс с его выхода подлет комлнду нл деление содержимого счетчика 37 нл число измеренных значений, поступающее с выхода счетчика 33. На выходах элементов 38 присутствуют значения, пропорциональные частотам гистогрлммы распределения значений случайного процесса в текущем цикле.

Импульс с выходл элемента 23 запускает генератор 35. Начинается реализация метода наименьших квадратов цля интерполяции гистограммы законом плотности вероятности распределения

Х с искомым значением числа степеней свободы. Счетчик 36 последовательно выдает нл вход узла 39 числа натурального ряда. Для кажного из этих

20 другим принципиальным схемам, например, с использованием принципа модечисел узел 39 вьдлет значения функции (4) в точках, соответствующих аргументам гистограммы. Е результате вычитания теоретических

25 значений из полученных эксперимеH тальным путем в элементах 32, возведения их в квадрат в элементах 41 и суммирования в сумматоре 42 определяется критерий "близости" теоретичес3р кой и экспериментальной функции. Число, соответствующее этому критерию, поступает «а вход элементов 43 и 44.

Если поступившее число меньше числа, ранее записанного в элемент 44, сра.батывает элемент 43. Выдается сигнал на вход управления записью в элемент

44. Текущее минимальное значение среднеарифмЕтического отклонения, а также соответствующее ему число степеней

4ц свободы с кодового выхода счетчика

36 записывается в элемент 44. Импульс переполнения с выхода счетчика 36 поступает нл вход выдачи результата элемента 44, после чего значения чис45 лл степени свОбОДы, сООтветствyющее наиболее "близкой" теоретической кривой плотности распределения Х выдается нл третий выход блока 3.

В начале следующего контрольного цикла импульсом с выхода элемента

22 обнуляются сумматоры 27 и 28, счетчики 33 и 37. Сумматор 42 обнуляется сигналом с выхода генератора

35 перед каждым новым расчетом зна55 чений функции плотности распределен ния Х

Блок 3 может быть выполнен и по

2573462

2 э л ирован я Х распределения как суммы квадратов и нормально распределенных случайных величин, а также с использованием стандартных схем определе1

) ия статистических моментов. ормула изобретения

1. Способ диагностирования состояия технического объекта с выбросами параметров, состоящий в том, что на этапах приработки, исправного функЦионирования и износа технического субъекта определяют частоту измерения амплитуды случайного процесса измеения технического параметра, рассчиывают статистические моменты случайого процесса, сравнивают их с этаонными и по результатам сравнения классифицируют неисправность, о т

zf и ч а ю шийся тем, что, с цеью повышения достоверности диагностирования, на всех этапах жизненногс икла технического объекта измерения амплитуды случайного процесса проводят с частотой, равной максимальной частоте спектра выброса технического параметра, увеличенной обратно пропорционально квадратному корню от погрешности аппроксимации процесса изменения технического параметра, по результатам измерений рассчитывают

1 дисперсию, число степеней свободы распределения хи-квадрата и принима-! ют их в качестве контролируемых па|, раметров, на этапе приработки технич!еского объекта регистрируют последовательные изменения контролируемых параметров до их стабилизации на одном уровне, неизменные на этапе -. нормального функционирования в течение периода, большего трехсоткратной длительности выброса, значения контролируемых параметров принимают за эталонные, а на этапе износа технического объекта устанавливают многоуровневые допуски для каждого контролируемого параметра, при попадании .го в один из допусков формируют индицирующий сигнал, при переходе значения контролируемого параметра в другие допуски фиксируют последовательно возникающие в процессе функционирования технического объекта индицирующие сигналы, IIo изменениям которых во времени классифицируют состояние технического объекта, 2. Устройство для диагностирования состояния технического объекта с выбросами параметров, содержащее два ключа, элемент НЕ, блок индикаторов, переключатель режимов, элемент

ИЛИ, первую группу пороговых элементов, выходами подключенных к кодовому

5 входу первого дешифратора, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения достоверности диагностирования, оно содержит генератор тактовых импульсов, блок вычисления статистических характеристик, первый регистр и группу из (N+M) вторых регистров (rye N — число степеней свободы из интервалов возможных значений, M-выборочная дисперсия распределения хи-квадрата случайной величины), три элемента задержки, три элемента сравнения, вторую группу из

M пороговых элементов и второй дешиф2О ратор, кодовым входом и выходами подключенный соответственно к выходам пороговых элементов второй группы и входам первых разрядов соответствующих вторых регистров, выходы перво25 го дешифратора также соединены с первыми разрядами соответствующих вторых регистров, выходы разрядов которых связаны с входами соответствующих индикаторов, выход генератора тактовых импульсов соединен с тактирующими входами первого регистра, блока вычисления статистических характеристик, первой и второй групп пороговых элементов, информационные

35 входы которых связаны с выходами соответственно первого и второго ключей, информационные входы которых

Ф подсоединены соответственно к второму и третьему информационным выхо,10 дам блока вычисления статистических характеристик, а управляющие входы к управляющему выходу переключателя режимов работы, управляющие входы которого соединены с выходами соот ветствуюших элементов сравнения, первый и второй входы каждого из кото,рых подсоединены иепосредственно и через соответстветствующий элемент задержки к выходу соответствующего разряда первого регистра, инфор-"ационный вход которого связан с соответствующим информационным выходом блока вычисления статистических характеристик, информационный вход которого является информационным входом устройства, входы обнуления регистров, переключателя режимов и блока вычисления статистических характеристик соединены с входом обнуле1573-> 1

II а 11 = о о1 ооо

00 0100

Q 01000

001000

11 а" 11 =

Оа 001а оо оои>

00 1000

Оо аОО

Фиг. 2 ния устройства, причем переключательрежимов содержит элемент HF., элемент

ИЛИ, элемент запрета, счетчик и триггер, единичным выходом соединенный с управляющим выходом переключателя режимов и управляющим выходом элемента запрета, выход и информационный вход которого связаны соответственно л n fL а„а12 .- Пм

П Л П

21 22 122Ю сп счетным входом счетчика и выходом элемента НЕ, вход которого подключен к выходу элемента ИЛИ и входу обнуления счетчика, входы элемента ИЛИ соединены с соответствующими информационными входами переключателя режимов, вход обнуления которого соединен с входом обнуления счетчика.,г г 71 72 1

52 S2 52 2t 22 24 с2 2 с2 а,„, а„„... а,„

1573461

Составитель В.Матюнин

Техред H.Ходанич Корректор Т.Палий

Редактор H.Ëàçàðåíêî

Заказ 1643

Тираж 568

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Н-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101