Способ определения отказавшего датчика движения в избыточной системе (варианты)

Изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано в системах с избыточным количеством датчиков, например акселерометров, отказ одного из которых не должен приводить к отказу системы управления. Способ определения отказавшего датчика в избыточной системе основан на периодической проверке соотношения связи измеренных параметров движения, по которому определяют отказ датчика, фиксацию момента нарушения соотношения связи, сравнение показаний датчиков на этот момент и вычисленных значений с использованием показаний датчиков на момент, предшествующий отказу, и определение по результатам сравнения отказавшего датчика. Способ определения отказавшего датчика расширяет функциональные возможности и может быть использован как при ненулевом векторе движения (а≠0), так и при нулевом векторе движения (а→0), когда соотношение связи измеренных параметров движения не определяет факт отказа датчика, а сравнение показаний датчиков с сигналами смещения позволяет определить отказавший датчик. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано в системах с избыточным количеством датчиков, например акселерометров, отказ одного из которых не должен приводить к отказу системы управления.

Известен способ определения отказавшего датчика, реализованный в [1], включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения и проверку соотношения связи измеренных параметров движения, определяющего отказ датчика.

Недостаток этого способа состоит в том, что он предполагает наличие большого количества избыточных датчиков (сверх трех, не расположенных в одной плоскости и полностью определяющих вектор параметра движения) и не позволяет определить отказавший датчик при любом числе избыточных датчиков, например при одном.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ, реализованный в [2], включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения и периодическую с периодом Т0 проверку соотношения связи измеренных параметров движения, определяющего отказ датчика.

Недостаток этого способа состоит в том, что он предполагает наличие двух одинаковых избыточных систем каждая с одним избыточным датчиком, что позволяет определять отказавший датчик. Однако этот способ не позволяет определить отказавший датчик в одной избыточной системе с одним избыточным датчиком.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей за счет возможности определения отказавшего датчика в любой избыточной системе как при ненулевом векторе движения (а≠ 0), так и при нулевом векторе движения (а→ 0).

Эта задача достигается тем, что при ненулевом векторе движения (а≠ 0) способ определения отказавшего датчика движения в избыточной системе, включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения ai, i=1, 2,... n, где n - число датчиков, периодическую с периодом Т0 проверку соотношения связи измеренных параметров движения, определяющего отказ датчика, предполагает в момент времени нарушения соотношения связи измеренных параметров движения Tj=j· T0, где j=1, 2, 3, ... , определение вектора движения a(j-i) на момент времени T(j-1)=(j-1)· Т0 по показаниям датчиков аi на этот же момент времени, формирование проекций аiп вектора движения aj на момент времени Tj в виде аiп=a(j-1) cos(α i+Δ α i), где α I - угол между вектором a(j-1) и измерительной осью i-го датчика на момент времени T(j-1), Δ α i - изменение угла α i за время Т0, сравнение показания aij на момент времени Tj каждого датчика с проекциями aiп и определение отказавшего i-го датчика, если разность Δ аi=(aijiп) превышает заданное значение.

При нулевом векторе движения (а→ 0) способ определения отказавшего датчика движения в избыточной системе, включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения аi и собственного сигнала смещения Si, i=1, 2,... n, где n - число датчиков, периодическую с периодом Т0 проверку соотношения связи измеренных параметров движения, определяющего отказ датчика, предполагает в момент времени Tj=j· T0, где j=1, 2, 3,... , сравнение показаний датчиков Ui=Si+ai на момент времени Tj с сигналами смещения Si путем нахождения разности Δ Ui=Ui-Si и определение отказавшего датчика, для которого разность Δ Ui превышает заданное значение.

На чертеже приведена координатная схема, поясняющая расположение измерительных осей датчиков и направления измеряемого параметра. На этой схеме: 1, 2, 3, 4 - направление измерительных осей датчиков, a(j-1) - вектор движения в момент времени Т(j-1), aj - положение вектора движения в момент времени Tj, α 1, α 2, α 3, α 4 - углы между направлением a(j-1) и соответственно измерительными осями 1, 2, 3, 4, Δ α - угол между направлением a(j-1) и aj.

Реализацию предлагаемого способа определения отказавшего датчика рассмотрим на примере системы с одним избыточным датчиком - акселерометром при управлении движением твердого тела (космического аппарата). Система управления с одним избыточным датчиком содержит четыре акселерометра (n=4). В общем случае система из трех акселерометров, измерительные оси которых не лежат в одной плоскости, полностью определяет вектор линейного ускорения космического аппарата а. Избыточная система содержит на один датчик больше - четыре акселерометра, при этом ни какие три датчика из четырех не лежат в одной плоскости. При отказе одного из четырех датчиков в такой системе существует возможность замены этого датчика, используя показания остальных исправно работающих трех датчиков.

Пусть избыточная система содержит четыре датчика (фиг.1), измерительные оси которых направлены по координатным осям 1, 2, 3, 4, при этом оси 1, 2, 3 взаимно перпендикулярны, а ось 4 направлена по диагонали куба, ребра которого совпадают с осями 1, 2, 3. Предположим также, что вектор измеряемого параметра (ускорения) а (а≠ 0) составляет с осями 1, 2, 3, 4 соответственно углы α 1, α 2, α 3, α 4, а угол между осью 4 и осями 1, 2, 3 равен ϕ . Показания датчиков аi каждой измерительной оси при измерении вектора движения (измеряемого ускорения) а будут соответственно равны

a1=а· cosα 1, a2=а· cosα 2, а3=а· соsα 3, а4=а· cosα 4. (1)

В этом случае вектор a можно представить в виде

a=a1+a2+a3 (2)

Спроектируем вектор а на ось 4. В результате будем иметь

а4=a1cosϕ .+a2cosϕ .+а3соsϕ . (3)

Введем в рассмотрение соотношение связи параметров движения в виде (4)

R=a1cosϕ .+a2cosϕ .+а3соsϕ -а4 (4)

Как следует из (1) и (3), величина R равна нулю (близка к нулю), если все четыре датчика исправны. В случае отказа датчика величина R не равна нулю (больше некоторого заданного значения), что свидетельствует о неисправности в системе из четырех датчиков. Область изменения величины R∈ Δ может быть определена исходя, например, из погрешности датчика параметра движения. Если относительная погрешность датчика равна δ а=0,001, а максимально возможное измеряемое ускорение aмах=100 мс-2, то заданное значение Δ можно определить в виде

Δ =δ а·aмах=0,1 мс-2.

Осуществим периодическую с периодом Т0 проверку соотношения связи параметров движения (4) на равенство нулю (на принадлежность к заданному интервалу Δ ) величины R. Будем считать, что соотношение связи параметров движения (4) нарушается, если величина R выходит за пределы некоторого заданного значения Δ . Выберем период Т0 таким, чтобы изменение измеряемого параметра (ускорения а) было незначительным и не превышало некоторого заданного значения δ .

Пусть в некоторый момент времени Tj=j· T0(j=1, 2, 3... ) произошло нарушение соотношения связи (4), при котором величина R вышла за пределы дозволенных значений Δ . Зафиксируем показания датчиков aij на момент времени Tj и показания датчиков ai(j-1) на момент времени Т(j-1)=(j-1)· Т0. Так как за время Т0 вектор движения а остается практически неизменным, то на момент времени T(j-1) исправной работы всех датчиков его величина равна a(j-1) и определяется в соответствии с (2) по показаниям датчиков ai(j-1). За время Т0 вектор a(j-1) может изменить свое положение относительно измерительных осей 1, 2, 3, 4 за счет изменения ориентации объекта и занять положение aj на четеже. Проекции aiп вектора движения aj на измерительные оси в момент времени Tj можно представить в виде

аiп=a(j-1)cos(α i+Δ α i) (5)

где α i - угол между вектором a(j-1) и измерительной осью i-го датчика на момент времени T(j-1), Δ α i - изменение угла α i за время Т0.

Найдем разность Δ ai в виде

Δ аi=(аijiп) (6)

В момент времени Тj для исправно работающих датчиков эта разность останется меньше заданного значения Δ . Для отказавшего датчика значение Δ аi выйдет за пределы дозволенных значений Δ , что является критерием определения отказавшего датчика. Пусть, например, в момент времени Тj отказал датчик 2, измерявший ускорение a2=2 мс-2. Предположим, что его показания уменьшились в два раза. В этом случае нарушается соотношения связи (4), а величина Δ а2>Δ , что свидетельствует об отказе датчика 2. После выявления отказавшего датчика его замену можно произвести путем определения из соотношения (4) его показаний, используя показания других трех исправно работающих датчиков (например, при отказе датчика 2 его показания из соотношения (4) определяются в виде a2=a4/cosϕ -a1-a3).

В общем случае выходной сигнал i-го датчика (i=1, 2,... n) Ui можно представить в виде

Ui=Si+ai=Miaqi,(7)

где Si - сигнал смещения датчика, ai - измеряемый параметр движения, Mi - масштабный коэффициент, aqi - выходной сигнал чувствительного элемента датчика, причем,

aqi=aci+aрi,(8)

где aci и api - соответственно сигнал смещения и полезный сигнал чувствительного элемента датчика.

Отказ датчика сопровождается либо изменением сигнала смешения aci чувствительного элемента, либо изменением масштабного коэффициента Mi. Как следует из (7) и (8), при любом отказе происходит изменение сигнала смещения Si датчика. Для датчиков параметра движения сигнал смещения представляет, как правило, известную стабильную в определенных условиях величину, закон изменения которой, например, от температуры заранее известен.

Движение в пространстве в общем случае можно представить в виде двух вариантов: 1) вектор движения а отличен от нуля (а≠ 0) и по модулю больше некоторого значения Δ (| а| >Δ ), 2) вектор движения а близок к нулю (а→ 0) и по модулю меньше некоторого значения Δ (| а| <Δ ). Вектор движения а во втором случае будем считать нулевым и обозначать а→ 0.

При нулевом векторе движения (а→ 0) отказ датчика типа "обрыв" (отсутствие выходного сигнала), как правило, не приводит к нарушению соотношения связи измеренных параметров (4), так как значение сигнала смещения датчика Si обычно меньше допустимого значения сигнала, который определяет, что соотношение (4) нарушено (при отказе типа "обрыв" и при а→ 0 в уравнении связи (4) в качестве сигнала ai будет использован сигнал Si отказавшего датчика, так как при указанном отказе выходной сигнал датчика Ui равен нулю, а из соотношения (7) следует, что Si=-аi). В этом случае соотношение связи измеренных параметров (4) не позволяет установить факт отказа датчика.

Рассмотрим возможность определения отказавшего датчика в случае, когда вектор ускорения а→ 0 (свободный полет объекта в космическом пространстве).

Пусть в момент времени Tj=j· T0, где j=1, 2, 3,... , вектор ускорения а→ 0, а соотношение связи измеренных параметров (4) не нарушено. В этом случае образуем разность Δ Ui в виде

Δ Ui=Ui-Si. (9)

При отказе одного из датчиков (изменение сигнала смещения асi или изменение масштабного коэффициента Мi) показание отказавшего датчика Ui будет отличаться от известного значения сигнала смещения Si этого же датчика и разность Δ Ui выйдет за пределы заданного значения Δ S, что свидетельствует об отказе этого датчика. Пусть, например, сигнал смещения отказавшего датчика Si=10-2 мс-2, допустимое значение Δ S=5· 10-3 мс-2, значение Δ =10-1 мс-2. Предположим, что у отказавшего датчика увеличился масштабный коэффициент в 5 раз. При а→ 0 выходной сигнал отказавшего датчика Ui в соответствии с (7) и (8) будет равен 5· 10-2 мс-2, а фактический сигнал смещения отказавшего датчика Si=10-2 мс-2. При таком отказе значение Δ Ui=4· 10-2 мс-2, что превышает значение Δ S=5· 10-3 мс-2, при этом соотношение связи измеренных параметров (4) не нарушено (R<Δ =10-1 мс-2).

Таким образом, рассмотренный способ определения отказавшего датчика в избыточной системе позволяет определить отказавший датчик при любом числе избыточных датчиков как в условиях ненулевого вектора движения (а≠ 0), так и в условиях нулевого вектора движения (а→ 0), что расширяет функциональные возможности системы управления.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных автором решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям “новизна” и “изобретательский уровень”. Реализация способа определения отказавшего датчика предполагает проведение стандартных операций фиксации параметров, их сравнение с заданным значением и по результатам сравнения определение отказавшего датчика.

Литература.

1. Авторское свидетельство СССР N 613291 от 07.03.78, кл. G 05 B 15/02, G 05 D 1/02.

2. Авторское свидетельство СССР N 489078 от 30.06.75, кл. G 05 B 15/02, G 05 D 1/02.

1. Способ определения отказавшего датчика движения в избыточной системе, включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения ai, i=1, 2, ...n, где n - число датчиков, периодическую с периодом То проверку соотношения связи измеренных параметров движения, по которому определяют отказ датчика, отличающийся тем, что в момент времени нарушения соотношения связи измеренных параметров движения Tj=j·T0, где j=1, 2, 3, ..., определяют вектор движения a(j-1) на момент времени T(j-1)=(j-1)·Т0 по показаниям датчиков аi на этот же момент времени, производят формирование проекций аiп вектора движения aj на момент времени Tj в виде аiп a(j-1) cos(αi+Δαi), где αi - угол между вектором a(j-1) и измерительной осью i-го датчика на момент времени T(j-1), Δαi - изменение угла αi за время Т0, сравнивают показания aij на момент времени Tj каждого датчика с проекциями аiп, а отказавший i-й датчик определяют, если разность Δαi=(аijiп) превышает заданное значение.

2. Способ определения отказавшего датчика движения в избыточной системе, включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения аi и собственного сигнала смещения si, i=1, 2, ...n, где n - число датчиков, периодическую с периодом Т0 проверку соотношения связи измеренных параметров движения, по которому определяют отказ датчика, отличающийся тем, что при нулевом векторе движения (а→0) в момент времени Tj=j·T0, где j=1, 2, 3, ..., производят сравнение показаний датчиков Ui=sii на момент времени Tj с сигналами смещения si путем нахождения разности ΔUi=Ui-si и определяют отказавший датчик, для которого разность ΔUi превышает заданное значение.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в системах технического зрения для управления транспортными средствами типа робокаров. .

Изобретение относится к способам автоматического управления пространственным маневрированием самолета при ограниченной тяге силовой установки. .
Изобретение относится к системам индикации параметров движения на пультах корабельных авторулевых. .

Изобретение относится к локационному устройству для определения местоположения границы обработки, в частности кромки, убираемой сельскохозяйственной культуры. .

Изобретение относится к системам автоматического управления угловым положением объектов и может найти применение при создании автоматических систем управления объектов, подвешенных в гравитационном поле сил при наличии перемещающихся масс, в частности в стратосферных астростанциях при подвесе последних вблизи их центра масс.

Изобретение относится к способу и устройству для определения местоположения транспортного средства на определенной территории, в частности в складских помещениях.

Изобретение относится к судостроению и может быть использовано для создания систем стабилизации движения судов, оборудованных глубокопогруженными крыльями. .
Изобретение относится к самоходному транспортному средству, которое движется сначала, возможно с помощью водителя, выбранным маршрутом от места старта до места финиша, причем транспортное средство принимает от системы позиционирования сигналы положения и хранит их в памяти данных.

Изобретение относится к вычислительной технике и автоматике и может найти применение для управления краскораспылителями движущихся плоских изделий произвольной конфигурации в различных отраслях промышленности, в частности в кожевенной, автомобильной и т.д.

Изобретение относится к регулирующим и управляющим системам общего назначения, а именно к средствам и системам управления газопоршневым электроагрегатом. .

Изобретение относится к области аналоговой вычислительной техники и может быть использовано для поверки приборов измерения реактивности ядерных реакторов. .

Изобретение относится к системе запирания дверного замка транспортного средства и может быть использовано на транспортных средствах, работающих в условиях широкого диапазона температур окружающей среды.

Изобретение относится к управляющим и регулирующим системам общего назначения, в частности к средствам управления компрессорной газозаправочной установкой. .

Изобретение относится к области микроэлектроники. .

Изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано для измерения навигационных параметров с помощью избыточных измерительных систем, установленных на различных объектах, движущихся в пространстве.

Изобретение относится к области строительства жилых и административных зданий и сооружений, оборудованных автоматизированной системой диспетчерского управления инженерными системами здания или так называемых "интеллектуальных зданий".

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в радиотехнических системах для управления фазовращателями дискретно-коммутационных антенных решеток.

Изобретение относится к электромеханическим системам и может быть использовано в качестве привода для управления положением антенного устройства радиолокационных станций

Изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано в системах с избыточным количеством датчиков, например акселерометров, отказ одного из которых не должен приводить к отказу системы управления

Наверх