Устройство для контроля параметров звеньев систем управления

 

Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет обеспечения контроля параметров апериодического первого порядка, апериодического второго порядка и колебательного звеньев. Устройство для контроля параметров звеньев содержит схему запуска, источник тестового единичного ступенчатого воздействия, первый и второй блоки формирования нелинейной функции, первый и второй блоки перемножения, первый и второй блоки интегрирования, первый и второй блоки деления, с первого по седьмой усилители, выключатель, с первого по седьмой сумматоры, первую, вторую и третью схемы допускового контроля. 1 ил.

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

Известен способ диагностирования апериодических звеньев (авт. св. СССР N 781768, М. кл. G 05 В 23/02, 1980), применение которого ограничено допущением, что отклониться может только один коэффициент.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является способ диагностирования апериодических звеньев (Патент РФ N 2110828, МКИ⁶ G 05 B 23/02, 1998), основанный на интегрировании выходного сигнала звена с весом e^-α^t , где α- вещественная константа.

Известно устройство диагностирования апериодических звеньев (авт. св. СССР N 781768, М. кл. G 05 B 23/02, 1980), применение которого ограничено апериодическими звеньями первого порядка.

Наиболее близким к предлагаемому устройству техническим решением является устройство диагностирования апериодических звеньев (Патент РФ N 2110828, МКИ⁶ G 05 B 23/02, 1998), содержащее схему запуска, источник тестового единичного ступенчатого воздействия, блок формирования нелинейной функции, блок перемножения, блок интегрирования, блок деления, три сумматора, две схемы допускового контроля, четыре усилителя.

Недостатком этого способа и устройства является то, что они применимы только для контроля параметров апериодического звена первого порядка.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа для контроля параметров апериодического первого порядка, апериодического второго порядка и колебательного звеньев.

Указанная цель достигается тем, что согласно изобретению предлагается новая совокупность действий.

1. В качестве моделей контролируемых звеньев принимаются следующие соотношения.

Для апериодического звена первого порядка: для колебательного и апериодического второго порядка звеньев: где Y - изображение выходного сигнала звена; K - коэффициент усиления звена; изображение входного тестового единичного ступенчатого воздействия; Т, T₁, T₂ - постоянные времени.

Модели (1), (2), записанные в изображениях по Лапласу для вещественного значения α₁ переменной Лапласа p, при использовании единичного ступенчатого воздействия примут вид: Выражение для постоянной времени, для апериодического звена первого порядка (формула 3 на стр. 7 патента РФ N 2110828): Выражения для постоянных времени колебательного и апериодического второго порядка звеньев для изображений по Лапласу в области вещественных значений α₁ переменной p при использовании того же входного воздействия получим из формулы (4):

При фиксированных значениях коэффициента усиления К, параметра α₁ и оценки изображения выходного сигнала звена Y(α₁) уравнению (6) удовлетворяют множество пар значений T₁ и T₂. Для устранения неоднозначности в определении постоянных времени запишем уравнение (6) для параметра α₂(α₂≠ α₁):

Приравняв правые части равенств (6) и (7) и выразив Т₂²•, получим выражение для определения квадрата постоянной времени Т₂²•:

Таким образом, при контроле звена второго порядка для снятия неоднозначности необходимо определение оценок изображений сигналов для двух значений параметра α.

2. Предварительно определяют номинальные значения контролируемых параметров К_ном и Т_ном апериодического звена первого порядка или К_ном, T_1ном и T_2ном² колебательного и апериодического второго порядка звеньев, для чего на вход эталонного звена (звена с номинальными характеристиками) подают единичное ступенчатое воздействие X = 1(t).

3. Определяют время контроля звена Т_k из соотношения T_k ≥ T_пп, где Т_пп - время переходного процесса (для апериодического звена первого порядка T_пп ≈ (3 - 5)•T, для колебательного звена Т_пп ≈ 6•T₂²/T₁, для апериодического второго порядка Т_пп ≈ (3 - 5)• Т₁). Поэтому время контроля выбирается из следующих соотношений:
Т_k ≥ 5T для апериодического звена первого порядка, Т_k ≥ 5T₁ для апериодического звена второго порядка, Т_k ≥ 6• T₂²/T₁ для колебательного звена, где в приведенных неравенствах используются априорные оценки номинальных значений постоянных времени. Время контроля должно быть выбрано с некоторым запасом в большую сторону, чтобы способ был работоспособен при контроле параметров, изменившихся в сторону увеличения длительности переходного процесса.

4. Определяют номинальное значение коэффициента усиления звена как значение выходного сигнала звена на конце временного интервала контроля K_ном = Y_ном (T_k) (поскольку на вход подается ступенчатый сигнал единичной амплитуды).

5. Номинальные значения постоянных времени звеньев определяют с использованием соотношения (5) для апериодического звена первого порядка и соотношений (6) и (8) для колебательного или апериодического звена второго порядка.

6. Для определения номинальных значений постоянных времени выходной сигнал звена интегрируют с весом , где α₁ = 5/T_k на интервале времени от 0 до Т_k. Для этого выходной сигнал звена подают на первый вход первого блока перемножения, на второй вход которого подают экспоненциальный сигнал . Выходной сигнал первого блока перемножения подают на вход первого блока интегрирования, на выходе которого по истечении времени контроля T_k снимают сигнал, численно равный оценке изображения по Лапласу Y(α₁) выходного сигнала звена в области вещественных значений переменной p = α₁.
7. В режиме контроля апериодического звена второго порядка или колебательного звена дополнительно выходной сигнал звена интегрируют с весом , где α₂ ≈ (1,5-2)•α₁ на интервале времени от 0 до Т_k. Для этого выходной сигнал звена подают на первый вход второго блока перемножения на второй вход которого подают экспоненциальный сигнал . Выходной сигнал второго блока перемножения подают на вход второго блока интегрирования, на выходе которого по истечении времени контроля Т_k снимают сигнал, численно равный оценке изображения по Лапласу Y(α₂) выходного сигнала звена в области вещественных значений переменной p = α₂. Выбор параметра α₂ осуществляют из следующих соображений. Во-первых, α₂ должен быть больше α₁, иначе увеличится погрешность определения оценок изображений Y(α₂) , связанная с заменой верхнего бесконечного предела интегрирования на конечный (α₂ - параметр падающего экспоненциального сигнала, при малых значениях этого параметра экспоненциальный сигнал не успеет уменьшиться до малых значений за время контроля). Во-вторых, большие значения этого параметра приведут к интегрированию малых сигналов на всем интервале контроля и увеличат погрешности, связанные с дрейфом нуля интегратора.

8. Выходной сигнал контролируемого звена, снятый в момент времени Т_k, подают на первый вход первого делительного устройства, на второй вход которого подают выходной сигнал первого интегратора Y(α₁). В режиме контроля апериодического звена второго порядка или колебательного звена дополнительно выходной сигнал контролируемого звена, снятый в момент времени Т_k, подают на первый вход второго делительного устройства, на второй вход которого подают выходной сигнал второго интегратора Y(α₂).

9. Выходной сигнал первого делительного устройства подают на вход первого усилителя с коэффициентом усиления 1/α²₁, выходной сигнал первого усилителя подают на неинвертирующий вход первого сумматора, на инвертирующий вход которого подают положительное напряжение, численно равное величине 1/α₁. В режиме контроля апериодического звена второго порядка или колебательного звена дополнительно выходной сигнал второго делительного устройства подают на вход второго усилителя с коэффициентом усиления 1/α²₂ , выходной сигнал второго усилителя подают на неинвертирующий вход третьего сумматора, на инвертирующий вход которого подают положительное напряжение, численно равное величине 1/α₂ .

10. В режиме контроля апериодического звена второго порядка или колебательного звена выходной сигнал третьего сумматора подают на неинвертирующий вход четвертого сумматора, а на его инвертирующий вход - выходной сигнал первого сумматора. Выходной сигнал четвертого сумматора подают на вход третьего усилителя с коэффициентом усиления , на выходе которого по истечении времени контроля Т_k получают сигнал, численно равный номинальному значению квадрата постоянной времени T₂². Выходной сигнал третьего усилителя подают на вход четвертого усилителя с коэффициентом усиления α₁.

11. Выходной сигнал первого сумматора подают на неинвертирующий вход второго сумматора. В режиме контроля апериодического звена первого порядка на второй (инвертирующий) вход второго сумматора подают нулевой потенциал. В режиме контроля апериодического звена второго порядка или колебательного звена на инвертирующий вход второго сумматора подают выходной сигнал четвертого усилителя. На выходе второго сумматора по истечении времени контроля Т_k получают сигнал, численно равный номинальному значению постоянной времени Т - в режиме контроля апериодического звена первого порядка, номинальному значению T₁ - в режиме контроля апериодического звена второго порядка или колебательного звена.

12. Выходной сигнал звена подают на неинвертирующий вход пятого сумматора и, изменяя напряжение на его инвертирующем входе, добиваются минимального по модулю значения напряжения на его выходе. Полученное напряжение на инвертирующем входе пятого сумматора принимают за номинальное значение коэффициента усиления К_ном и используют в качестве напряжения уставки при контроле звена.

13. Выходной сигнал второго сумматора подают на неинвертирующий вход шестого сумматора и, изменяя напряжение на его инвертирующем входе, добиваются минимального по модулю значения напряжения на его выходе. Полученное напряжение на инвертирующем входе шестого сумматора принимают за номинальное значение постоянной времени Т_ном при контроле апериодического звена первого порядка либо постоянной времени Т_1ном при контроле апериодического звена второго порядка или колебательного звена и используют в качестве напряжения уставки при контроле звена.

14. Выходной сигнал третьего усилителя подают на неинвертирующий вход седьмого сумматора и, изменяя напряжение на его инвертирующем входе, добиваются минимального по модулю значения напряжения на его выходе. Полученное напряжение на инвертирующем входе седьмого сумматора принимают за номинальное значение квадрата постоянной времени T²_2ном и используют в качестве напряжения уставки при контроле апериодического звена второго порядка или колебательного звена.

15. Затем переходят к контролю звена, для чего замещают звено с номинальными характеристиками контролируемым и выполняют пункты 4-11 применительно к определению реальных значений К, Т, T₁, T₂².

16. Выходной сигнал контролируемого звена подают на неинвертирующий вход пятого сумматора, на инвертирующий вход которого подают определенное ранее напряжение уставки _ном. Разность двух сигналов ΔK с выхода пятого сумматора подают на первую схему допускового контроля, на выходе которой при отклонении коэффициента усиления от номинального значения больше допустимого (|ΔΚ|>Δ_K) появляется сигнал единичной амплитуды, являющийся признаком ухода контролируемого параметра за пределы допуска.

17. Выходной сигнал второго сумматора подают на неинвертирующий вход шестого сумматора, на инвертирующий вход которого подают определенное ранее напряжение уставки _ном при контроле апериодического звена первого порядка или Т_1ном при контроле апериодического звена второго порядка или колебательного звена. Разность двух сигналов ΔT с выхода шестого сумматора подают на вторую схему допускового контроля, на выходе которой при отклонении постоянной времени от номинального значения больше допустимого появляется сигнал единичной амплитуды, являющийся признаком ухода контролируемого параметра за пределы допуска.

18. Выходной сигнал третьего усилителя подают на неинвертирующий вход седьмого сумматора, на инвертирующий вход которого подают определенное ранее напряжение уставки ²_2ном. Разность двух сигналов ΔT²₂ с выхода седьмого сумматора подают на третью схему допускового контроля, на выходе которой при отклонении квадрата постоянной времени от номинального значения больше допустимого появляется сигнал единичной амплитуды, являющийся признаком ухода контролируемого параметра за пределы допуска.

На чертеже представлена функциональная схема устройства,
Устройство содержит:
1 - схему запуска;
2 - источник тестового единичного ступенчатого воздействия;
3 - контролируемое звено;
4 - первый блок формирования нелинейной функции;
5 - первый блок перемножения;
6 - первый блок интегрирования;
7 - первый блок деления;
8 - первый усилитель;
9 - первый сумматор;
10 - второй сумматор;
11 - выключатель;
12 - второй блок формирования нелинейной функции;
13 - второй блок перемножения;
14 - второй блок интегрирования;
15 - второй блок деления;
16 - второй усилитель;
17 - третий сумматор;
18 - четвертый сумматор;
19 - третий усилитель;
20 - четвертый усилитель;
21 - пятый сумматор;
22 - первая схема допускового контроля;
23 - пятый усилитель;
24 - шестой сумматор;
25 - вторая схема допускового контроля;
26 - шестой усилитель;
27 - седьмой сумматор;
28 - третья схема допускового контроля;
29 - седьмой усилитель.

Выход схемы запуска 1 соединен с управляющим входом источника тестового единичного ступенчатого воздействия 2, выход которого соединен со входом контролируемого звена 3, выход схемы запуска 1 соединен с управляющим входом первого блока формирования нелинейной функции 4, выход которой подключен ко второму входу первого блока перемножения 5, первый вход которого соединен с выходом контролируемого звена 3, выход первого блока перемножения 5 соединен с сигнальным входом первого блока интегрирования 6, управляющий вход которого соединен с выходом схемы запуска 1, выход первого блока интегрирования 6 соединен со вторым входом первого блока деления 7, первый вход которого соединен с выходом контролируемого звена 3, выход первого блока деления 7 соединен со входом первого усилителя 8, выход первого усилителя 8 соединен с неинвертирующим входом первого сумматора 9, инвертирующий вход которого предназначен для подачи положительного напряжения, численно равного величине 1/α₁, выход первого сумматора 9 соединен с неинвертирующим входом второго сумматора 10, инвертирующий вход которого соединен с выключателем 11, выход схемы запуска 1 соединен с управляющим входом второго блока формирования нелинейной функции 12, выход которой соединен со вторым входом второго блока перемножения 13, первый вход которого подключен к выходу контролируемого звена 3, выход второго блока перемножения 13 соединен с сигнальным входом второго блока интегрирования 14, управляющий вход которого подключен к выходу схемы запуска 1, выход второго блока интегрирования 14 соединен со вторым входом второго блока деления 15, первый вход которого соединен с выходом контролируемого звена 3, выход второго блока деления 15 соединен со входом второго усилителя 16, выход которого подключен к неинвертирующему входу третьего сумматора 17, инвертирующий вход третьего сумматора 17 предназначен для подачи положительного напряжения, численно равного величине 1/α₂, выход третьего сумматора 17 соединен с неинвертирующим входом четвертого сумматора 18, инвертирующий вход которого соединен с выходом первого сумматора 9, выход четвертого сумматора 18 соединен со входом третьего усилителя 19, выход которого соединен со входом четвертого усилителя 20, выход четвертого усилителя 20 через выключатель 11 подключен к инвертирующему входу второго сумматора 10, выход контролируемого звена 3 соединен с неинвертирующим входом пятого сумматора 21, выход которого подключен к сигнальному входу первой схемы допускового контроля 22, управляющий вход первой схемы допускового контроля 22 соединен с выходом пятого усилителя 23, вход которого и инвертирующий вход пятого сумматора 21 предназначены для подачи напряжения уставки К_ном, выход второго сумматора 10 соединен с неинвертирующим входом шестого сумматора 24, выход которого подключен к сигнальному входу второй схемы допускового контроля 25, управляющий вход второй схемы допускового контроля 25 соединен с выходом шестого усилителя 26, вход которого и инвертирующий вход шестого сумматора 24 предназначены для подачи напряжения уставки Т_ном или Т_1ном, выход третьего усилителя 19 соединен с неинвертирующим входом седьмого сумматора 27, выход которого подключен к сигнальному входу третьей схемы допускового контроля 28, управляющий вход третьей схемы допускового контроля 28 соединен с выходом седьмого усилителя 29, вход которого и инвертирующий вход седьмого сумматоры 27 предназначены для подачи напряжения уставки Т²_2ном.

Устройство работает следующим образом.

При контроле апериодического звена первого порядка (реализуется соотношение (5)) контакты выключателя 11 устанавливают в разомкнутое состояние, а при контроле колебательного или апериодического второго порядка (реализуются соотношения (6), (8)) - в замкнутое. Схема запуска 1 запускает одновременно источник тестового единичного ступенчатого воздействия 2, первый и второй блоки формирования нелинейных функций 4 и 12, первый и второй блоки интегрирования 6 и 14. Тестовое единичное ступенчатое воздействие подается на вход контролируемого звена 3, выходной сигнал которого одновременно подается на первые входы первого и второго блоков перемножения 5 и 13, первые входы (делимое) первого и второго блоков деления 7 и 15 и неинвертирующий вход пятого сумматора 21. По истечении времени контроля Т_k схема запуска останавливает интегрирование в блоках 6 и 14. При этом на выходе звена 3 будет сигнал, равный оценке коэффициента усиления К, на выходе блока 6 - оценка изображения Y(α₁), на выходе блока 14 - оценка изображения Y(α₂), на выходе второго сумматора 10 - напряжение, равное оценке постоянной времени Т при контроле звена первого порядка или Т₁ при контроле звена второго порядка, на выходе третьего усилителя 19 - напряжение, численно равное Т₂². Если оценки К, Т (или Т₁, T₂²) получены для заведомо исправного звена, то производится их компенсация изменением уставок K_ном, T_ном (или Т_1ном, T²_2ном) путем минимизации сигналов на выходах блоков 21, 24 и 27 соответственно. Полученные уставки принимаются в качестве номинальных параметров и остаются неизменными при контроле соответствующих звеньев, когда вместо эталонного звена к устройству подключается контролируемое звено. Усилители 23, 26, 29 имеют коэффициенты усиления и служат для получения опорных напряжений, определяющих максимально допустимые отклонения контролируемых параметров , схем допускового контроля 22, 25 и 28 соответственно. Схемы допускового контроля представляют собой нелинейные блоки с релейной статической характеристикой и зоной нечувствительности. Выходные сигналы S₁, S₂, S₃ блоков 22, 25, 28 принимают значение 0 при нахождении контролируемого параметра в зоне допуска (-Δ, +Δ) и значение l - при выходе параметра за пределы указанного интервала. Абсолютные значения границ зоны допустимых отклонений контролируемого параметра изменяются при изменении уставок. Допустимые относительные отклонения параметров К, Т (или T₁, T₂²) задаются коэффициентами усиления блоков 23, 26 и 29:



Устройство позволяет контролировать апериодические звенья как первого, так и второго порядка. При контроле конкретного объекта такое расширение функциональных возможностей позволяет повысить адекватность модели объекту.

Использование одних и тех же электронных блоков устройства как на этапе получения номинальных контролируемых параметров, так и на этапе их контроля позволяет устранить ошибки контроля, связанные с применением неадекватной номинальной модели, погрешностями операционных блоков и блоков формирования сигналов. Контроль сигналов на выходах блоков 21, 24 и 27 позволяет выявить тренд параметров еще до того, как они выйдут за пределы допуска, что позволяет осуществлять раннее обнаружение постепенных отказов.

Формула изобретения

Устройство для контроля параметров звеньев систем управления, содержащее схему запуска, источник тестового единичного ступенчатого воздействия, контролируемое звено, первый блок формирования нелинейной функции, первый блок перемножения, первый блок интегрирования, первый блок деления, первый усилитель, первый сумматор, пятый сумматор, первую схему допускового контроля, пятый усилитель, шестой сумматор, вторую схему допускового контроля, шестой усилитель, причем выход схемы запуска соединен с управляющим входом источника тестового единичного ступенчатого воздействия, выход которого соединен со входом контролируемого звена, выход схемы запуска соединен с управляющим входом первого блока формирования нелинейной функции, выход которого подключен ко второму входу первого блока перемножения, первый вход которого соединен с выходом контролируемого звена, выход первого блока перемножения соединен с сигнальным входом первого блока интегрирования, управляющий вход которого соединен с выходом схемы запуска, выход первого блока интегрирования соединен со вторым входом первого блока деления, первый вход которого соединен с выходом контролируемого звена, выход первого блока деления соединен со входом первого усилителя, выход которого соединен с неинвертирующим входом первого сумматора, инвертирующий вход которого предназначен для подачи постоянного положительного напряжения, выход контролируемого звена соединен с неинвертирующим входом пятого сумматора, выход которого подключен к сигнальному входу первой схемы допускового контроля, управляющий вход первой схемы допускового контроля соединен с выходом пятого усилителя, вход которого и инвертирующий вход пятого сумматора предназначены для подачи соответствующего напряжения уставки, выход шестого сумматора подключен к сигнальному входу второй схемы допускового контроля, управляющий вход второй схемы допускового контроля соединен с выходом шестого усилителя, вход которого и инвертирующий вход шестого сумматора предназначены для подачи соответствующего напряжения уставки, отличающееся тем, что в него дополнительно введены второй сумматор, выключатель, второй блок формирования нелинейной функции, второй блок перемножения, второй блок интегрирования, второй блок деления, второй усилитель, третий сумматор, четвертый сумматор, третий усилитель, четвертый усилитель, седьмой сумматор, третья схема допускового контроля, седьмой усилитель, причем выход первого сумматора соединен с неинвертирующим входом второго сумматора, инвертирующий вход которого соединен с выключателем, выход схемы запуска соединен с управляющим входом второго блока формирования нелинейной функции, выход которого соединен со вторым входом второго блока перемножения, первый вход которого подключен к выходу контролируемого звена, выход второго блока перемножения соединен с сигнальным входом второго блока интегрирования, управляющий вход которого подключен к выходу схемы запуска, выход второго блока интегрирования соединен со вторым входом второго блока деления, первый вход которого соединен с выходом контролируемого звена, выход второго блока деления соединен со входом второго усилителя, выход которого подключен к неинвертирующему входу третьего сумматора, инвертирующий вход третьего сумматора предназначен для подачи соответствующего положительного напряжения уставки, выход третьего сумматора соединен с неинвертирующим входом четвертого сумматора, инвертирующий вход которого соединен с выходом первого сумматора, выход четвертого сумматора соединен со входом третьего усилителя, выход которого соединен со входом четвертого усилителя, выход четвертого усилителя через выключатель подключен к инвертирующему входу второго сумматора, выход второго сумматора соединен с неинвертирующим входом шестого сумматора, вход шестого усилителя и инвертирующий вход шестого сумматора предназначены для подачи соответствующего положительного напряжения уставки, выход третьего усилителя соединен с неинвертирующим входом седьмого сумматора, выход которого подключен к сигнальному входу третьей схемы допускового контроля, управляющий вход третьей схемы допускового контроля соединен с выходом седьмого усилителя, вход которого и инвертирующий вход седьмого сумматора предназначены для подачи соответствующего положительного напряжения уставки, инвертирующий вход первого сумматора предназначен для подачи соответствующего положительного напряжения уставки.

РИСУНКИ

Рисунок 1