Способ контроля параметров звеньев систем управления и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к контролю и диагностированию систем автоматического управления и их элементов. Технический результат заключается в упрощении процесса контроля параметров системы управления путем сокращения времени измерения. Способ заключается в том, что в качестве модели контролируемого звена принимают определенное соотношение, учитывая изображение выходного сигнала звена, коэффициент усиления, изображение входного сигнала, постоянную времени, вещественную часть переменной Лапласа. Предварительно определяют номинальные параметры диагностической модели, время контроля звена Тк, номинальное значение коэффициента усиления звена, номинальное значение постоянной времени звена с использованием диагностической модели, записанной в изображении по Лапласу, замещают заведомо исправное звено на контролируемое, разность между коэффициентом усиления контролируемого звена k и определенным напряжением уставки k_ном подают на вторую схему допускового контроля, на выходе которой при отклонении коэффициента усиления от номинального значения больше допустимого появляется сигнал единичной амплитуды, являющийся признаком отклонения k от номинального значения. Устройство для контроля параметров содержит схему запуска, блок формирования импульсного сигнала, блок формирования нелинейной функции, блок интегрирования, контролируемое звено, первый блок перемножения, второй блок деления, второй блок перемножения, вторую схему допускового контроля, пять усилителей, три сумматора. 2 с. п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов и может использоваться для диагностирования линейных динамических объектов, содержащих реальные интегрирующие звенья.

Известен способ и устройство диагностирования апериодических звеньев, по которому в контролируемом объекте возможен поиск одиночных дефектов (Авторское свидетельство СССР N 781768, М. кл. G 05 B 23/02, 1980).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является способ и устройство измерения параметров реальных интегрирующих звеньев (Авторское свидетельство СССР N 711545, М. кл. G 05 B 23/02, 1980), имеющее сумматор и блок масштабирования, вход которого подключен к выходу исследуемого звена, выход к первому входу сумматора, второй вход которого связан с выходом интегратора, а выход - со входом измерительного блока. Процесс измерения состоит ив двух операций: установки коэффициента передачи блока масштабирования и собственно измерения параметров звена. Недостатком этого технического решения является то, что для определения параметров исследуемого звена на него необходимо подать последовательно два тестовых сигнала - прямоугольный и ступенчатый сигнал, кроме этого, в процессе измерения параметров системы необходим этап компенсации.

Цель изобретения - упрощение процесса контроля параметров системы, что достигается сокращением времени измерения путем подачи только одного тестового сигнала и устранения этапа компенсации.

Указанная цель достигается тем, что предлагается новая совокупность действий: 1. В качестве модели контролируемого звена принимается соотношение где Y - изображение выходного сигнала звена; k - коэффициент усиления; X - изображение входного сигнала; T - постоянная времени; p - переменная Лапласа.

2. Предварительно определяют номинальные параметры диагностической модели, для чего на вход заведомо исправного звена подают прямоугольный импульс с длительностью τ и амплитудой ν. Длительность импульса τ и амплитуда ν выбираются из соображений, изложенных в пункте 4.

3. Определяют время контроля звена T_k из соотношения T_k ≥ T_пп, где T_пп - время переходного процесса (известно, что время переходного процесса для реального интегрирующего звена на уровне 5% равно T_пп ≈ (3 ÷ 5) · T, где T - постоянная времени).

Эти рассуждения дают правило выбора интервала времени контроля где оценка постоянной времени контролируемого звена В последнем неравенстве первоначально есть априорная оценка постоянной времени, которая при дальнейшем анализе переходных процессов может быть скорректирована. Для того, чтобы способ был работоспособен при поиске неисправностей, связанных с увеличением постоянных времени контролируемых объектов, T_k должно быть выбрано с некоторым запасом в большую сторону.

4. Определяют номинальное значение коэффициента усиления звена. Поскольку исследуемое звено линейно, к нему применим принцип суперпозиции, т.е. реакцию исследуемого звена на прямоугольный импульс можно рассматривать как сумму реакций звена на положительное ступенчатое воздействие, приложенное в момент времени t и отрицательное ступенчатое воздействие той же амплитуды, приложенное в момент времени t+τ. Тогда реакция исследуемого звена на прямоугольный импульс длительности τ может быть представлена где h(t) - реакция звена на ступенчатое воздействие с амплитудой ν. Для рассматриваемого звена
h(t) = ν·k[t-T(1-l^t/T)], (3)
где ν - амплитуда прямоугольного импульса.

Тогда из (2) и (3)

Установившееся значение выходного сигнала контролируемого звена (t _→ ∞)

Отсюда можно найти номинальное значение коэффициента усиления контролируемого звена k:

5. Номинальное значение постоянной времени звена определяют с использованием диагностической модели вида (1), записанной в изображениях по Далласу для вещественного значения α переменной Лапласа p:



α - вещественная положительная константа;
τ - длительность тестового импульса;

Подставляя в (4) значение изображения X(α) и выражая T, получим:


6. Согласно выражению (4) для определения номинального значения постоянной времени, выходной сигнал звена интегрируют с весом на интервале времени от 0 до T_k (бесконечный предел в выражениях (4) заменяем на конечный T_k). При этом погрешность, обусловленная заменой предела интегрирования, зависит от верности выбора параметра α. Этот параметр выбирается исходя из следующих соображений.

Поскольку интегрируется произведение двух функций, одна из которых (y(t)) при t _→ ∞ стремится к конечному значению ν·τ·k, а вторая (l^-α^t) - к нулю, то произведение этих функций также будет стремиться к нулю, поэтому если α выбрать так, чтобы в конце интервала интегрирования функция принимала малые значения, то произведение функций l^-α^t·y(T_k) также будет мало и дальнейшее его интегрирование при t > T_k будет незначительно изменять результат. С другой стороны, если параметр α выбран так, что функция веса l^-α^t принимает малые значения на большей части интервала интегрирования (0 - T_k), это приведет к ошибкам, связанным с интегрированием малых значений (дрейф нуля интегратора). Эти соображения приводят к следующему правилу выбора α:

При таком выборе в конце интервала моделирования функция веса l^-α^t на интервале интегрирования (0 - T_k) принимает значения от 1 при t = 0 до при t = T_k (менее 1% от максимального значения) и погрешность ограничения верхнего предела не будет превышать один процент. Дальнейшее уменьшение приведет к росту погрешностей, связанных с конечностью интервала интегрирования, увеличение - к погрешностям, связанным с интегрированием малых сигналов.

Результат интегрирования выходного сигнала звена с весом l^-α^t на интервале времени от 0 до T_k есть изображение по Лапласу Y(p) в области вещественных значений переменной p = α.
7. Выходной сигнал заведомо исправного звена делят на сигнал, численно равный произведению ν·τ, результат деления соответствует значению коэффициента усиления k заведомо исправного звена.

8. Произведение коэффициента усиления k звена и сигнала, равного ν·(1-l^-ατ) делят на изображение по Лапласу выходного сигнала звена Y(α).
9. Результат деления умножают на величину, равную 1/α², вычитают из него сигнал единичной амплитуды, затем умножают на величину, равную 1/α. Результатом перемножения является сигнал, численно равный значению постоянной времени T заведомо исправного звена.

10. Вычитая из сигнала, равного постоянной времени T, напряжение уставки и изменяя величину уставки, добиваются минимальной по модулю разности между двумя сигналами. Полученное напряжение уставки считают номинальным значением постоянной времени T_ном звена.

11. Вычитая из сигнала, равного коэффициенту усиления k, напряжение уставки и изменяя величину уставки, добиваются минимальной по модулю разности между двумя сигналами. Полученное напряжение уставки считают номинальным значением коэффициента усиления k_ном звена.

12. Замещают заведомо исправное звено на контролируемое звено.

13. При контроле звеньев для каждого контролируемого звена выполняют операции, изложенные в пунктах 4 - 9 для определения k и T при неизменных значениях уставок, определенных в пунктах 10, 11.

14. Разность ΔT между постоянной времени контролируемого звена T и определенным ранее напряжением уставки T_ном подают на первую схему допускового контроля, на выходе которой при отклонении постоянной времени от номинального значения больше допустимого появляется сигнал единичной амплитуды, являющийся признаком отклонения T от номинального значения.

15. Разность Δk между коэффициентом усиления контролируемого звена k и определенным ранее напряжением уставки k_ном подают на вторую схему допускового контроля, на выходе которой при отклонении коэффициента усиления от номинального значения больше допустимого появляется сигнал единичной амплитуды, являющийся признаком отклонения k от номинального значения.

В качестве ближайшего аналога устройства выбрано устройство, описанное в а.с. СССР N 711545, М. кл. G 05 B 23/02, 1980. Оно содержит интегратор, блок масштабирования, сумматор, блок измерения, исследуемое звено. Однако это устройство позволяет только измерять параметры реальных интегрирующих звеньев, но не позволяет осуществлять их контроль, кроме того, необходимо использовать два тестовых сигнала и осуществлять этап компенсации. С целью упрощения процесса контроля параметров звеньев путем использования только одного тестового сигнала и устранения этапа компенсации для контроля неисправностей в реальных интегрирующих звеньях сконструировано устройство, функциональная схема которого представлена на фиг. 1, на фиг. 2 - структурная схема аналогового устройства, реализующего способ.

Устройство содержит:
1 - схему запуска;
2 - блок формирования импульсного сигнала;
3 - блок формирования нелинейной функции;
4 - блок интегрирования;
5 - контролируемое звено;
6 - первый блок перемножения;
7 - первый блок деления;
8 - второй блок деления;
9 - второй блок перемножения;
10 - первый усилитель;
11 - второй усилитель;
12 - первый сумматор;
13 - третий усилитель;
14 - второй сумматор;
15 - первую схему допускового контроля;
16 - четвертый усилитель;
17 - третий сумматор;
18 - вторую схему допускового контроля;
19 - пятый усилитель;
S1, S2 - диагностические признаки дефектов "K" и "T" соответственно.

Выход схемы запуска 1 соединен с управляющими входами устройства формирования тестового импульсного сигнала 2, блока формирования нелинейной функции 3 и блока интегрирования 4, выход источника тестового импульсного сигнала 2 соединен со входом контролируемого звена 5, выход которого соединен с первым входом блока перемножения 6 и первым входом блока деления 7, на второй вход блока деления 7 подается сигнал, численно равный произведению ν·τ, выход блока формирования нелинейной функции 3 соединен со вторым входом блока перемножения 6, выход блока перемножения 6 соединен со входом блока интегрирования 4, выход которого подключен ко второму входу блока деления 8, выход первого блока деления 7 соединен с первым входом второго блока перемножения 9, на второй вход второго блока перемножения 9 подается сигнал, численно равный 1-l^-ατ, выход блока перемножения 9 соединен со входом первого усилителя 10, выход первого усилителя 10 соединен с первым входом второго блока деления 8, выход второго блока деления 8 соединен со входом второго усилителя 11, выход которого подключен к неинвертирующему входу сумматора 12, на второй (инвертирующий) вход которого подается напряжение единичной амплитуды, выход сумматора 12 подключен ко входу третьего усилителя 13, выход которого подключен к неинвертирующему входу второго сумматора 14, на второй (инвертирующий) вход которого подается напряжение уставки T_ном, выход второго сумматора 14 подключен к сигнальному входу первой схемы допускового контроля 15, управляющий вход которой соединен с выходом четвертого усилителя 16, на вход которого подается напряжение уставки T_ном, выход первого блока деления 7 соединен с первым (неинвертирующим) входом третьего сумматора 17, выход сумматора 17 соединен с сигнальным входом второй схемы допускового контроля 18, управляющий вход которой подключен к выходу пятого усилителя 19, на вход пятого усилителя и инвертирующий вход третьего сумматора подается напряжение уставки k_ном.

Устройство работает следующим образом.

Схема запуска 1 запускает одновременно блок формирования импульсного сигнала 2, блок формирования нелинейной функции 3 и блок интегрирования 4. Тестовый импульсный сигнал подается на вход контролируемого звена 5, выходной сигнал которого одновременно подается на вход блока перемножения 6 и вход блока деления 7. По истечении времени t = τ схема запуска 1 останавливает формирование блоком формирование импульса ступенчатого импульса с амплитудой ν (на вход контролируемого звена начинает поступать сигнал с нулевой амплитудой). По истечении времени контроля T_k схема запуска останавливает блок формирования нелинейной функции 3 и процесс интегрирования в блоке 4. При этом на выходе блока деления 7 будет сигнал, равный оценке коэффициента усиления k, на выходе блока 4 - оценка изображения Y(α), а на выходе блока 13 - значение, равное оценке постоянной времени T контролируемого звена. Если оценки коэффициента усиления звена k и постоянной времени T получены для заведомо исправного звена, то производится компенсация этих сигналов изменением уставок T_ном и k_ном путем минимизации сигналов на выходах блоков 15 и 18 соответственно. Полученные уставки принимаются в качестве номинальных параметров и остаются неизменными при диагностировании соответствующих звеньев, когда вместо заведомо исправного (эталонного) звена к устройству подключается контролируемое звено. Усилители 16 и 19 имеют коэффициенты усиления β_T<1 и β_k<1 и служат для получения опорных напряжений схем допускового контроля, определяющих максимальные допустимые отклонения контролируемых параметров Δ_T и Δ_k. Схемы допускового контроля 15 и 18 представляют собой нелинейные блоки с релейной статической характеристикой, представленной на фиг. 3. Выходной сигнал блоков допускового контроля принимает значение 0 при нахождении контролируемого параметра в зоне допуска (-Δ,+Δ) и значение 1 - при выходе параметра за пределы указанного интервала. Абсолютные значения границ зоны допустимых отклонений контролируемого параметра изменяются при изменении уставок T_ном и k_ном. Допустимые относительные отклонения параметров T и K задаются коэффициентами усиления блоков 16 и 19:

Использование одних и тех же электронных блоков как на этапе получения номинальных параметров, так и на этапе их контроля, позволяет устранить ошибки контроля, связанные с неадекватностью номинальной модели, погрешностями блоков умножения, интегрирования, деления, усиления. Составляющая погрешности определения постоянной времени, связанная с конечностью интервала интегрирования, зависит от правильности выбора параметра α блока нелинейной функции 4, а также от длительности τ и амплитуды ν тестового сигнала и времени контроля T_k. Зависимость этой погрешности была исследована путем цифрового моделирования на ПЭВМ устройства, представленного на фиг. 2.

В качестве оценки правильности контроля параметров контролируемых звеньев были взяты относительные погрешности определения параметров δ1 и δ2:


где k_ном - номинальный коэффициент усиления заведомо исправного звена;
K - значение параметра звена, определенное в результате контроля;
T_ном - номинальная постоянная времени заведомо исправного звена;
T - значение параметра звена, определенное в результате контроля.

На фиг. 4 представлена зависимость погрешности определения постоянной времени контролируемого звена T от величины при различной длительности времени контроля T_k: δ2(α),: T_k = nT_ном, на фиг. 5 - зависимость погрешности определения коэффициента усиления контролируемого звена k от длительности времени контроля T_k при различных значениях длительности тестового сигнала
τ: δ1(T_k), на фиг. 6 - зависимость погрешности определения постоянной времени контролируемого звена T от длительности тестового сигнала τ при различной длительности времени контроля T_k: δ2(τ), T_k = nT_ном, на фиг. 7 - зависимость погрешности определения коэффициента усиления контролируемого звена k от длительности тестового сигнала τ при различных значениях длительности времени контроля T_k: δ1(τ), T_k = nT_ном, Результаты моделирования подтверждают правильность рассуждений о наличии оптимальных значений α,τ и T_k, так, для правильного контроля параметров звена длительность времени контроля T_k должна быть не менее T_k = 5 T_ном, значение переменной α не менее 5/T_k, длительность тестового сигнала τ не должна превышать половины длительности времени контроля T_k и в то же время не быть слишком маленькой, а амплитуда тестового сигнала ν должна быть сопоставима с коэффициентом усиления контролируемого звена.

Предлагаемый способ и устройство можно использовать для выходного контроля параметров электрических двигателей путем сравнения их параметров с параметрами заведомо исправного двигателя.

Формула изобретения

1. Способ контроля параметров звеньев систем управления, заключающийся в том, что на вход контролируемого звена подают прямоугольный положительный импульсный сигнал и производят интегрирование сигналов звена, отличающийся тем, что в качестве модели контролируемого звена принимают соотношение

где Y(α) - изображение по Лапласу выходного сигнала звена;
k - коэффициент усиления;
X(α) - изображение по Лапласу входного сигнала;
Т - постоянная времени;
α - вещественная часть переменной Лапласа,
предварительно определяют номинальные параметры контролируемого звена, для чего выбирают время контроля звена Т_к из соотношения Т_к ≥ Т_nn, где Т_nn - время переходного процесса в звене, на вход заведомо исправного звена подают прямоугольный положительный импульсный сигнал с длительностью τ и амплитудой V, длительность τ которого выбирают из соотношения τ ≅ 0,5·T_к, выбирают значение вещественной части α переменной Лапласа из соотношения α ≥ 5/T_к, выходной сигнал звена интегрируют с весом e^-α˙^t на интервале времени от О до Т_к, результат интегрирования принимают за изображение по Лапласу выходного сигнала звена Y(α), выходной сигнал звена делят на сигнал, численно равный произведению V·τ, результат деления принимают за номинальное значение коэффициента усиления k звена, произведение коэффициента усиления k звена и сигнала, равного V·(l-e^-α˙τ), делят на сигнал, численно равный изображению по Лапласу выходного сигнала звена Y(α), результат деления умножают на величину, равную l/α², вычитают из него сигнал единичной амплитуды, затем умножают на величину, равную l/α, из полученного в результате перемножения сигнала, численно равного постоянной времени Т заведомо исправного звена, вычитают напряжение установки и, изменяя его величину, добиваются минимальной по модулю разности между двумя сигналами, полученное напряжение уставки принимают за номинальное значение постоянной времени Т_ном звена, из сигнала, равного коэффициенту усиления k заведомо исправного звена, вычитают напряжение уставки и, изменяя величину уставки, добиваются минимальной по модулю разности между двумя сигналами, полученное напряжение уставки принимают за номинальное значение коэффициента усиления k_ном звена, замещают заведомо исправное звено контролируемым звеном, для контролируемого звена выполняют изложенные выше операции для определения коэффициента усиления k и постоянной времени Т, разность сигналов ΔT между сигналом, принятым за постоянную времени контролируемого звена Т, и определенным ранее напряжением уставки, принятым за номинальное значение постоянной времени звена Т_ном, подают на первую схему допускового контроля, по наличию сигнала единичной амплитуды на выходе первой схемы допускового контроля принимают решение об отклонении постоянной времени Т от номинального значения, разность сигналов Δk между сигналом, принятым за коэффициент усиления контролируемого звена k, и определенным ранее напряжением уставки принятым за номинальное значение коэффициента усиления звена k_ном, подают на вторую схему допускового контроля, по наличию сигнала единичной амплитуды на выходе второй схемы допускового контроля принимают решение об отклонении коэффициента усиления k от номинального значения.

2. Устройство для контроля параметров звеньев систем управления, содержащее контролируемое звено, блок интегрирования, первый сумматор, отличающееся тем, что в него дополнительно введены схема запуска, блок формирования импульсного сигнала, блок формирования нелинейной функции, два блока перемножения, два блока деления, два сумматора, пять усилителей, две схемы допускового контроля, причем выход схемы запуска соединен с управляющими входами блока формирования импульсного сигнала, блока формирования нелинейной функции и блока интегрирования, выход блока формирования импульсного сигнала соединен с входом контролируемого звена, выход которого соединен с первым входом первого блока перемножения и первым входом первого блока деления, второй вход первого блока деления предназначен для подачи сигнала, численно равного произведению V·τ, где V - амплитуда импульсного сигнала, τ - длительность импульсного сигнала, выход блока формирования нелинейной функции соединен со вторым входом первого блока перемножения, выход первого блока перемножения соединен с входом блока интегрирования, выход которого подключен к второму входу второго блока деления, выход первого блока деления соединен с первым входом второго блока перемножения, второй вход второго блока перемножения служит для подачи сигнала, численно равного (l-e^-α˙τ), где α - вещественная положительная константа, выход второго блока перемножения соединен с входом первого усилителя, выход первого усилителя соединен с первым входом второго блока деления, выход второго блока деления соединен с входом второго усилителя, выход которого подключен к неинвертирующему входу первого сумматора, инвертирующий вход которого предназначен для подачи напряжения единичной амплитуды, выход первого сумматора подключен к входу третьего усилителя, выход которого подключен к неинвертирующему входу второго сумматора, инвертирующий вход которого и вход четвертого усилителя служат для подачи напряжения уставки, принятого за номинальное значение постоянной времени звена Т_ном, выход второго сумматора подключен к сигнальному входу первой схемы допускового контроля, управляющий вход которой соединен с выходом четвертого усилителя, выход первого блока деления соединен с неинвертирующим входом третьего сумматора, выход третьего сумматора соединен с сигнальным входом второй схемы допускового контроля, управляющий вход которой подключен к выходу пятого усилителя, вход пятого усилителя и инвертирующий вход третьего сумматора служат для подачи напряжения уставки, принятого за номинальное значение коэффициента усиления звена k_ном.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7