Способ поиска неисправного блока в динамической системе

Изобретение относится к способам контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов. Технический результат заключается в увеличении помехоустойчивости диагностирования непрерывных систем автоматического управления. Фиксируют число динамических блоков контролируемой системы, регистрируют реакцию заведомо исправной системы, на интервале в контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов системы. На первые входы блоков перемножения подают сигналы системы, на вторые входы блоков перемножения подают среднее арифметическое значение модулей производных по времени сигналов, выходные сигналы блоков перемножения подают на входы блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов регистрируют, одновременно определяют интегральные оценки сигналов моделей для каждой из контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений параметров каждого из блоков, для чего в каждую модель вводят соответствующее пробное отклонение параметров для блока динамической системы. Определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели. Определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов. Определяют диагностические признаки, по минимуму значения диагностического признака определяют неисправный блок. 1 ил.

 

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

Известен способ контроля динамического блока в составе системы управления (Патент РФ №2136033, МКИ⁶ G05B 23/02, 1999), основанный на интегрировании выходного и входного сигналов блока с весом e^-αt, где α - вещественная константа.

Недостатком этого способа является то, что его применение для контроля нескольких блоков системы управления произвольной структуры приводит к необходимости интегрирования входных и выходных сигналов каждого контролируемого блока.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправного блока в динамической системе (Положительное решение от 12.07.2010 г. о выдаче патента на изобретение по заявке №2009123999/08(033242), МКИ⁶ G05В 23/02, 2010).

Недостатком этого способа является то, что он предполагает интегрирование специальных тестовых сигналов с использованием экспоненциальной весовой функции и обеспечивает определение дефектов с невысокой различимостью, то есть обладает невысокой помехоустойчивостью.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является расширение функциональных возможностей способа путем применения рабочего диагностирования (без использования тестового воздействия), увеличение помехоустойчивости способа диагностирования непрерывных систем автоматического управления путем улучшения различимости дефектов и уменьшение аппаратных затрат на вычисление весовой функции. Это достигается с помощью замены экспоненциальной весовой функции функцией, являющейся средним арифметическим модулей производных по времени сигналов системы с номинальными характеристиками, контролируемой системы и моделей с пробными отклонениями.

Поставленная задача достигается тем, что фиксируют число m динамических блоков контролируемой системы, регистрируют реакцию заведомо исправной системы f_jном(t), j=1, 2,…, k на интервале в k контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(d), j=1,…,k системы, для чего в момент подачи тестового или рабочего сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов этой системы для каждой из k контрольных точек с весовой функцией, равной среднему арифметическому значению модулей производных ее сигналов в контрольных точках, где усреднение производится по числу контрольных точек. Для этого на первые входы k блоков перемножения подают сигналы системы, на вторые входы блоков перемножения подают среднее арифметическое значение модулей производных по времени сигналов, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(d), j=1,…,k регистрируют, одновременно определяют интегральные оценки сигналов m моделей для каждой из k контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений параметров каждого из m блоков, для чего в каждую i-ю модель вводят соответствующее пробное отклонение параметров для i-го блока динамической системы и находят интегральные оценки выходных сигналов систем с пробными отклонениями при том же тестовом или рабочем сигнале x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек, каждого из m пробных отклонений P_ji(d), j=1,…,k; i=1,…,m регистрируют, одновременно на вход контролируемой системы подают тестовый или рабочий сигнал x(t), определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(d), j=1,…,k, полученные значения регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков

ΔР_ji(d)=Р_ji(d)-F_jном(d), j=1,…,k; i=1,…,m, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков

определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек ΔF_j(d)=F_j(d)-F_jном(d), j=1,…,k, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы

определяют диагностические признаки:

по минимуму значения диагностического признака определяют неисправный блок.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Способ основан на использовании пробных отклонений параметров модели непрерывной динамической системы. Для получения диагностических признаков динамических элементов используются интегральные оценки на временном интервале T_k в k контрольных точках

Весовая функция в формуле (4) в виде среднего значения модулей производных сигналов в контрольных точках несет информацию о важности момента времени с точки зрения скорости изменения сигналов во всех контрольных точках. Чем больше средняя скорость изменения сигналов, тем с большим весом интегрируется выходной сигнал. Используя векторную интерпретацию выражения (3), запишем его в следующем виде

где φ_i(d) - угол между нормированным вектором (вектором единичной длины) отклонений интегральных оценок сигналов объекта с элементами и нормированным вектором (единичной длины) отклонений интегральных оценок сигналов модели с элементами , полученными в результате пробного отклонения параметра i-го блока.

Таким образом, нормированный диагностический признак (3) представляет собой значение квадрата синуса угла, образованного в k-мерном пространстве (где k - число контрольных точек) нормированными векторами пробных отклонений интегральных оценок сигналов модели и реальной деформации интегральных оценок сигналов объекта диагностирования.

Пробное отклонение параметра блока, минимизирующее значение диагностического признака (3), указывает на наличие дефекта в этом блоке. Область возможных значений диагностического признака лежит в интервале [0,1].

Таким образом, предлагаемый способ поиска неисправного блока сводится к выполнению следующих операций:

1. В качестве динамической системы рассматривают систему, состоящую из произвольно соединенных m динамических элементов.

2. Предварительно определяют время контроля Т_К≥Т_ПП, где Т_ПП - время переходного процесса системы. Время переходного процесса оценивают для номинальных значений параметров динамической системы.

3. Фиксируют число контрольных точек k.

4. Одновременно подают тестовый сигнал x(t) (единичный ступенчатый) или рабочий сигнал на вход системы управления с номинальными параметрами, на вход контролируемой системы, на входы m моделей с номинальными параметрами, в каждую из которых введены пробные отклонения параметров одного блока так, что в i-ую систему введены пробные отклонения в i-й блок.

5. Одновременно регистрируют реакцию системы с номинальными характеристиками f_jном(t), реакцию контролируемой системы f_j(t), реакции моделей с пробными отклонениями в i-ом блоке p_ji(t) в k контрольных точках j=1, 2,…, k на интервале .

6. Одновременно определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(d), j=1,…,k системы с номинальными характеристиками, контролируемой системы F_j(d), j=1,…,k, моделей с пробными отклонениями в i-ом блоке P_ji(d), j=1,…, k; i=1,…,m (формула 4). Для этого в момент подачи входного сигнала одновременно начинают интегрирование сигналов в каждой из k контрольных точек системы с номинальными характеристиками, контролируемой системы, моделей с пробными отклонениями параметров блоков с весовой функцией, равной среднему арифметическому значению модулей производных сигналов в контрольных точках, где усреднение производится по числу контрольных точек, для чего выходные сигналы каждой системы подают на первые входы k блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают среднее арифметическое значение модулей производных сигналов системы в контрольных точках, где усреднение производится по числу контрольных точек выходных сигналов системы, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(d), j=1,…,k, F_j(d), j=1,…,k, P_ji(d), j=1,…,k; i=1,…,m регистрируют.

7. Определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков

ΔP_ji(d)=P_ji(d)-F_jном(d), j=1,…,k; i=1,…,m.

8. Определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков по формуле:

.

9. Определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(d)=F_j(d)-F_jном(d), j=1,…,k.

10. Вычисляют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы по формуле:

.

11. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправного блока по формуле (3).

12. По минимуму значения диагностического признака определяют дефектный блок.

Поскольку диагностические признаки (3) имеют область возможных значений, ограниченную интервалом [0,1], то разность между ближайшим к минимальному признаку и минимальным признаком (который указывает на дефектный блок) количественно характеризует различимость данного дефекта с учетом расположения блока на структурной схеме, вида и параметров передаточных функций блоков и всех условий диагностирования, при которых получены эти значения диагностических признаков (количество и расположение контрольных точек, величина интервала Т_к). Наилучшая различимость дефектов обеспечивается тогда, когда указанная разность равна единице (в терминах векторной интерпретации нормированные векторы деформаций интегральных преобразований динамических характеристик этих блоков для пробных отклонений ортогональны). Наихудшая различимость - когда указанная разность равна нулю (в терминах векторной интерпретации нормированные векторы деформаций интегральных преобразований динамических характеристик этих блоков для пробных отклонений коллинеарные).

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска одиночного дефекта для системы, структурная схема которой представлена на рисунке (см. чертеж).

Передаточные функции блоков:

; ; ,

где номинальные значения параметров: Т₁=5 с; K₁=1; K₂=1; T₂=1 с; К₃=1; Т₃=5 с.

При моделировании в качестве входного сигнала будем использовать псевдослучайный сигнал (при моделировании использовался блок Band-Limited White Noise в среде Matlab). Время контроля выберем Т_к равным 10 с.

Величину пробных отклонений параметров модели выбираем равной 10%.

Моделирование процессов поиска дефектов в первом блоке (в виде уменьшения параметра Т₁ на 20%) приводит к вычислению диагностических признаков по формуле (3): J₁=0, J₂=0.2067, J₃=0.2266. Различимость дефекта: ΔJ=J₃-J₁=0.2067.

Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного блока с использованием экспоненциального веса при одном параметре интегрирования α=0.5 (Положительное решение от 12.07.2010 г. о выдаче патента на изобретение по заявке №2009123999/08(033242), МКИ⁶ G05В 23/02, 2010): J₁=0, J₂=0.7828, J₃=0.07399. Различимость дефекта ΔJ=J₃-J₁=0.07399.

Приведенные результаты показывают, что фактическая различимость нахождения дефектов этим способом выше, следовательно, выше будет и помехоустойчивость способа.

Моделирование процессов поиска дефектов во втором блоке (в виде уменьшения параметра Т₂ на 20%) для данного объекта диагностирования с использованием дифференциального веса и при таком же входном сигнале дает следующие значения диагностических признаков:

J₁=0.2752, J₂=0.006981, J₃=0.7004.

Различимость дефекта ΔJ=J₃-J₂=0.2682.

Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного блока с использованием экспоненциального веса при одном параметре интегрирования α=0.5: J₁=0.7828, J₂=0, J₃=0.7462. Различимость дефекта: ΔJ=J₃-J₂=0.7462.

Моделирование процессов поиска дефектов в третьем блоке (в виде уменьшения параметра Т₃ на 20%) для данного объекта диагностирования при тех же состояниях дает следующие значения:

J₁=0.1824, J₂=0.5691, J₃=0.003594.

Различимость дефекта: ΔJ=J₁-J₃=0.1788.

Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного блока при одном параметре интегрирования α=0.5:

J₁=0.07403, J₂=0.7463, J₃=0.

Различимость дефекта ΔJ=J₁-J₃=0.07403.

Минимальное значение диагностического признака во всех случаях правильно указывает на дефектный блок, а данный способ в двух случаях из трех улучшает фактическую различимость дефектов, следовательно, увеличивает помехоустойчивость диагностирования.

Кроме того, заявляемый способ позволяет осуществлять диагностирование в условиях реального функционирования объекта диагностирования (рабочее диагностирование).

Способ поиска неисправного блока в динамической системе, основанный на том, что фиксируют число m динамических элементов, входящих в состав системы, определяют время контроля T_К≥T_ПП используют входной сигнал x(t) на интервале t∈[0, T_K], фиксируют число k контрольных точек системы, регистрируют реакцию контролируемой системы f_j(t), j=1, 2, …, k, регистрируют реакцию системы с номинальными характеристиками f_jном(t), j=1, …, k, на интервале t∈[0, Т_K] в k контрольных точках, определяют интегральные оценки выходных сигналов системы, для чего в момент подачи сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы в каждой из k контрольных точек, путем подачи на первые входы k блоков перемножения выходных сигналов системы, на вторые входы блоков перемножения подают весовую функцию, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов регистрируют, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений параметров каждого из m блоков, для чего для каждого блока динамической системы вводят пробное отклонение параметра его передаточной функции и находят интегральные оценки выходных сигналов модели для весовой функции и входного сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждого из m пробных отклонений регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков ΔP_ji(d)=P_ji(d)-F_jном(d), j=1, …, k; i=1, …, m, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков из соотношения:

определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(d), j=1, …, k, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(d)=F_i(d)-F_jном(d), j=1, …, k, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы из соотношения:

определяют диагностические признаки из соотношения:

по минимуму диагностического признака определяют неисправный блок, отличающийся тем, что одновременно подают тестовый или рабочий сигнал x(t) на вход системы с номинальными характеристиками, на вход контролируемой системы, на входы m моделей с номинальными характеристиками, в каждую из которых введены пробные отклонения параметров одного блока так, что в i-ю систему введены пробные отклонения в i-й блок, в качестве динамических характеристик системы используют интегральные оценки, полученные для весовой функции, равной среднему арифметическому модулей производных по времени от выходных сигналов системы в различных контрольных точках, из соотношения

оценки выходных сигналов F_jном(d), j=1, …, k системы с номинальными характеристиками, для чего в момент подачи входного сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы в каждой из k контрольных точек для весовой функции, путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы на вторые входы блоков перемножения подают среднее арифметическое модулей производных по времени от выходных сигналов системы с номинальными характеристиками, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(d), j=1, …, k, регистрируют, аналогично определяют интегральные оценки сигналов m моделей для каждой из k контрольных точек полученные в результате пробных отклонений параметров каждого из m блоков, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек каждого из m пробных отклонений P_ji(d), j=1, …, k; i=1, …, m, используют для вычисления диагностических признаков.