Способ определения отказавшего датчика в избыточной системе

Изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано в системах с избыточным количеством датчиков, например датчиков угловой скорости, отказ одного из которых не должен приводить к отказу системы управления. Технический результат заключается в повышении достоверности определения отказавшего датчика и снижении объема обрабатываемой информации. Способ определения отказавшего датчика в избыточной системе основан на периодической проверке соотношения связи измеренных параметров движения, характеризующего исправную работу датчиков, фиксации момента нарушения соотношения связи, определении приращения измеряемого параметра, формировании дополнительного сигнала, сравнении показаний датчиков на этот момент с соответствующим дополнительным сигналом и определении по результатам сравнения отказавшего датчика. 1 ил.

 

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

Известен способ определения отказавшего датчика, реализованный в [1], включающий измерение каждым датчиком параметра движения и проверку соотношения связи измеренных датчиками параметров движения, характеризующего исправную работу датчиков.

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 параметра движения и периодическую с периодом Т₀ проверку соотношения связи измеренных каждым датчиком параметров движения, характеризующего исправную работу датчиков.

Недостаток этого способа состоит в том, что он не обладает достаточной достоверностью определения отказавшего датчика в случае интенсивного изменения измеряемого параметра и обусловливает большой объем обрабатываемой информации в единицу времени вследствие выбираемого малого периода Т₀ проверки соотношения связи измеренных параметров.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей за счет повышения достоверности определения отказавшего датчика преимущественно в условиях значительного изменения измеряемого параметра за время периода Т₀ и снижение объема обрабатываемой информации.

Эта задача достигается тем, что способ определения отказавшего датчика в избыточной системе, включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения a_i, i..=1, 2,... m, где m - число датчиков, периодическую с периодом Т₀ проверку соотношения связи измеренных параметров движения, по которому определяют отказ датчика, на принадлежность к области заданных значений [-Δ, Δ], при этом период Т₀ выбирают таким образом, чтобы для соседних периодов изменение приращения измеряемого параметра за время Т₀ не превышало заданного значения Δ, отличается тем, что в момент нарушения соотношения связи измеренных параметров движения T_j=i•T₀, где i=1, 2, 3,..., определяют приращение измеряемого параметра Δа_{i(j -i)} на интервале времени [Т_(i-2), Т_(i-1)] в виде Δа_i(j-i)=a_i(j-1)-а_i(j-2), где a_i(j-1) и а_i(j-2) показания i-го датчика на момент времени Т_(j-1) и Т_(j-2) соответственно, формируют дополнительный сигнал a_ijp в виде a_ijp=а_i(j-1)+Δа_i(j-1), сравнивают показания a_ij каждого датчика на момент времени T_j с соответствующим дополнительным сигналом а_ijp, а отказавший i-й датчик определяют, если разность Δа_ip=(а_ij-а_ijp) превышает заданное значение Δ.

На фиг.1 приведена координатная схема, поясняющая расположение измерительных осей датчиков и направления измеряемого параметра. На этой схеме: х, y, z, v - направление измерительных осей датчиков, a - направление измеряемого параметра, α, β, γ, ν - углы между направлением а и соответственно измерительными осями x, y, z, v, ϕ - угол между направлением измерительной оси v и измерительными осями x, y, z.

Реализацию предлагаемого способа определения отказавшего датчика рассмотрим на примере системы с одним избыточным датчиком угловой скорости при управлении движением твердого тела (космического аппарата). В общем случае система из трех датчиков угловой скорости, измерительные оси которых не лежат в одной плоскости, полностью определяет вектор угловой скорости космического аппарата а. Избыточная система содержит на один датчик больше - четыре датчика угловой скорости, при этом никакие 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 x, y, z, v, при этом оси x, y, z взаимно перпендикулярны, а ось v направлена по диагонали куба, ребра которого совпадают с осями x, y, z. Предположим также, что вектор измеряемого параметра (угловой скорости) а составляет с осями х, y, z, v соответственно углы α, β, γ, ν, а угол между осью v и осями х, y, z равен ϕ. Показания датчиков каждой измерительной оси будут соответственно равны

В этом случае вектор а можно представить в виде

Спроектируем вектор а на ось V. В результате будем иметь

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

Как следует из (1) и (3) величина R равна нулю (близка к нулю), если все четыре датчика исправны. При исправной работе датчиков величина R∈[-Δ, Δ], a значение Δ выбирают из условия

где к - коэффициент, a_m - максимальное значение измеряемого параметра, δ - относительная погрешность измерения параметра движения. В случае отказа датчика величина R не равна нулю (больше некоторого заданного значения Δ), что свидетельствует о неисправности в системе из четырех датчиков.

Осуществим периодическую с периодом Т₀ проверку соотношения связи параметров движения (4) на равенство нулю (на принадлежность к заданному интервалу) величины R. Выберем период Т₀ таким, чтобы для соседних периодов изменение приращения измеряемого параметра за время Т₀ не превышало заданного значения Δ. Пусть в некоторый момент времени T_j=j•T₀ (j=1, 2, 3...) произошло нарушение соотношения связи (4), при котором величина R вышла за пределы дозволенных значений. Зафиксируем показания датчиков a_ij на момент времени T_j и показания датчиков а_i(j-1) на момент времени Т_(j-1)=(j-1)•Т₀. Найдем приращение измеряемого параметра движения Δа_i(j-1) на интервале времени [Т_(j-2), Т_(j-1)] в виде

где а_i(j-2) - показание датчиков на момент времени Т_(j-2).

До момента времени T_j значение Δa_ij для каждого из датчиков было меньше заданного значения Δ. В момент времени T_i для исправно работающих датчиков это значение также останется меньше заданного значения Δ.

Сформируем дополнительный сигнал a_ijp в виде

Для исправно работающих датчиков изменение сигнала приращения Δa_ij измеряемого параметра на интервале времени T_j остается меньше величины Δ, следовательно, для этих датчиков справедливо соотношение

Для отказавшего датчика значение Δa_jp выйдет за пределы дозволенных значений Δ, что является критерием определения отказавшего датчика. После выявления отказавшего датчика его замену можно произвести путем определения из соотношения (4) его показаний, используя показания других трех исправно работающих датчиков.

Покажем, что предлагаемый способ определения отказавшего датчика по сравнению с прототипом [2] позволяет расширить функциональные возможности за счет повышения достоверности определения отказавшего датчика и снизить объем обрабатываемой информации за счет увеличения периода Т₀ проверки соотношения связи измеренных параметров на примере использования датчиков угловой скорости. Большинство датчиков угловой скорости имеют частотный выход: измеряемая угловая скорость пропорциональна частоте выходного сигнала. Значение угловой скорости определяется числом импульсов в единицу времени (например, за время Т₀).

Пусть угловая скорость а_j изменяется с угловым ускорением ε=1 град/с², максимальное значение измеряемой угловой скорости a_m=5 град./с, относительная погрешность измерения δ=0,05%. Выберем значение к=4, тогда значение (=0,01 град/с, (см. выражение (5)). В этом случае, чтобы за время Т₀ изменение сигнала а_j не превышало значение Δ=0,01 град/с, время Т₀ необходимо выбирать 0,01 с. Если предположить, что угловой скорости 1 град/с соответствует частота выходного сигнала датчика 1000 Гц, то за время периода Т₀=0,01 с оценить значение сигнала угловой скорости а_i с точностью 0,01 град/с не представляется возможным (например, при угловой скорости 1 град/с за время Т₀=0,01 с будет зафиксировано 10 импульсов выходного сигнала датчика, при этом один импульс будет соответствовать 0,1 град/с). Таким образом, известное решение [2] не обеспечивает в рассматриваемом случае достоверное определение отказавшего датчика.

При использовании предлагаемого способа, если за время Т₀ угловое ускорение ε изменяется, например, не более чем на 5%, то время периода Т₀ можно выбрать равным 0,2 с. В этом случае за время 0,2 с будет зафиксировано 200 импульсов выходного сигнала датчика, при этом один импульс будет соответствовать 0,005 град/с, что обеспечивает достоверность определения отказавшего датчика.

Оценим объем обрабатываемой информации в единицу времени при использовании известного [2] и предлагаемого способа. Пусть объем обрабатываемой информации при использовании известного [2] и предлагаемого способа за время Т₀ равен q. Тогда объем обрабатываемой информации Q в единицу времени Т будет равен Q=q Т/Т₀. Объем обрабатываемой информации в единицу времени при использовании известного [2] (Т₀=0,01 с) в 20 раз больше объема обрабатываемой информации в единицу времени при использовании предлагаемого способа (Т₀=0,2 с).

Таким образом, рассмотренный способ определения отказавшего датчика в избыточной системе позволяет определить отказавший датчик при любом числе избыточных датчиков, что расширяет функциональные возможности за счет повышения достоверности определения отказавшего датчика и снижает объем обрабатываемой информации за счет увеличения периода Т₀ проверки соотношения связи измеренных параметров.

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 7.03.78, кл. G05B 15/02, G05D 1/02.

2. Патент Российской Федерации N 2244954 от 20.01.2005, МПК⁷ G05В 23/02.

Способ определения отказавшего датчика в избыточной системе, включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения а_i, i=1, 2,... m, где m - число датчиков, периодическую с периодом Т₀ проверку соотношения связи измеренных параметров движения, по которому определяют отказ датчика, на принадлежность к области заданных значений [-Δ, Δ], при этом период Т₀ выбирают таким образом, чтобы для соседних периодов изменение приращения измеряемого параметра за время Т₀ не превышало заданного значения Δ, отличающийся тем, что в момент нарушения соотношения связи измеренных параметров движения T_j=j·T₀, где j=1, 2, 3,... определяют приращение измеряемого параметра Δa_i(j-1) на интервале времени [T_(j-2), T_(j-1)] в виде Δa_i(j-1)=а_i(j-1)-а_i(j-2), где a_i(j-1) и а_i(j-2) показания i-го датчика на момент времени T_(j-1) и T_(j-2) соответственно, формируют дополнительный сигнал а_ijp в виде а_ijp=а_i(j-1)+Δa_i(j-1), сравнивают показания а_ij каждого датчика на момент времени T_j с соответствующим дополнительным сигналом а_ijp, а отказавший i-й датчик определяют, если разность Δa_ip=(а_ij-а_ijp) превышает заданное значение Δ.