Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений
Владельцы патента RU 2613630:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тихоокеанский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к способам поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе. Для поиска неисправного блока на основе пробных отклонений фиксируют определенное число динамических элементов системы, определяют время контроля, параметр интегрального преобразования сигналов, используют тестовый сигнал и интегральные оценки, фиксируют определенное число контрольных точек системы, регистрируют реакцию объекта диагностирования и модели, регистрируют реакцию заведомо исправной системы на определенном интервале в контрольных точках, определяют интегральные оценки выходных сигналов определенным образом, фиксируют число различных пробных отклонений, определяют интегральные оценки сигналов модели для каждой контрольной точки, определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, подают на вход системы аналогичный тестовый сигнал, определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для контрольных точек, определяют отклонения интегральных оценок от номинальных значений, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок контролируемой системы, определяют диагностические признаки, по которым определяют дефект, определяют неисправный блок по максимуму диагностического признака. Обеспечивается уменьшение вычислительных затрат при диагностики системы автоматического управления. 1 ил.
Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов.
Известен способ диагностирования динамических звеньев систем управления (патент РФ №2110828, МКИ 6 G05B 23/02, 1998), основанный на интегрировании выходного сигнала блока с весом , 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 (Способ поиска неисправного блока в динамической системе. Пат. 2435189 РФ, МПК7 G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. №2009123999/08, заявл. 23.06.2009, опубл. 27.11.2011, бюл. №33).
Недостатком этого способа являются большие вычислительные затраты, так как он предполагает определение минимальных диагностических признаков с дополнительными операциями вычитания на каждый диагностический признак.
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является уменьшение вычислительных затрат, благодаря применению максимальных диагностических признаков без дополнительных операций вычитания на каждый диагностический признак.
Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной системы 
, j=1,…,k на интервале 
в k контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов 
, j=1,…,k системы, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами , где 
, путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал , выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Tk, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов , j=1,…,k регистрируют, фиксируют число m рассматриваемых дефектов блоков, определяют интегральные оценки сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученных в результате пробных отклонений для m дефектов блоков, для чего поочередно в каждый блок динамической системы вводят пробное отклонение параметра передаточной функции и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра интегрирования α и тестового сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждого из m пробных отклонений 
, j=1,…,k; i=1,…,m регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений параметров разных структурных блоков 
, j=1,…,k; i=1,…,m, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков из соотношения
замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек 
, j=1,…,k - для параметра интегрирования α, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений 
, j=1,…,k, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы из соотношения
определяют диагностические признаки из соотношения
по максимуму значения диагностического признака определяют неисправный блок.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.
Способ основан на использовании пробных отклонений параметров модели непрерывной динамической системы.
Используя векторную интерпретацию выражения (3), запишем его в следующем виде
где ϕi(α) - угол между нормированным вектором (вектором единичной длины) отклонений интегральных оценок сигналов объекта 
и нормированным вектором (единичной длины) отклонений интегральных оценок сигналов модели 
, полученных в результате пробного отклонения параметра i-го структурного блока.
Таким образом, нормированный диагностический признак (3) представляет собой значение квадрата косинуса угла, образованного в k мерном пространстве (где k - число контрольных точек) нормированными векторами отклонений интегральных оценок выходных сигналов моделей с пробными отклонениями и отклонений интегральных оценок выходных сигналов объекта диагностирования.
Пробное отклонение параметра соответствующего структурного блока, максимизирующее значение диагностического признака (3), указывает на наличие дефекта в этом блоке. Область возможных значений диагностического признака лежит в интервале [0, 1].
Поскольку заявляемый способ предполагает вычисление значительного количества диагностических признаков, которое определяется количеством всех рассматриваемых блоков, то даже незначительное уменьшение вычислительных затрат при определении признака по формуле (3) приводит к существенному снижению аппаратных или программных затрат на диагностирование. При замене диагностических признаков в прототипе, указывающих на дефекты своими минимальными значениями признака 
, на диагностические признаки в заявляемом способе, указывающие на дефекты своими максимальными значениями 
, получаем экономию на одно вычитание при вычислении одного признака (формула (8) в прототипе и формула (3) в заявляемом способе).
Таким образом, предлагаемый способ поиска неисправного блока сводится к выполнению следующих операций:
1. В качестве динамической системы рассматривают систему, состоящую из произвольно соединенных динамических блоков, с количеством рассматриваемых дефектов блоков m.
2. Предварительно определяют время контроля TК≥TПП, где TПП - время переходного процесса системы. Время переходного процесса оценивают для номинальных значений параметров динамической системы.
3. Определяют параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения 
.
4. Фиксируют число контрольных точек k.
5. Предварительно определяют нормированные векторы 
отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений параметров i-го блока каждого из m блоков и определенного выше параметра интегрального преобразования α, для чего выполняют пункты 6-10.
6. Подают тестовый сигнал x(t) (единичный ступенчатый, линейно возрастающий, прямоугольный импульсный и т.д.) на вход системы управления с номинальными характеристиками. Принципиальных ограничений на вид входного тестового воздействия предлагаемый способ не предусматривает.
7. Регистрируют реакцию системы , j=1,…,k на интервале в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов , j=1,…,k системы. Для этого в момент подачи тестового сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами , где , для чего сигналы системы управления подают на первые входы k блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал , выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Tk, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов , j=1,…,k регистрируют.
8. Определяют интегральные оценки сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений параметров каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого структурного блока динамической системы вводят пробное отклонение параметра передаточной функции и выполняют пункты 6 и 7 для одного и того же тестового сигнала x(t). Полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждого из m пробных отклонений , j=1,…,k; i=1,…,m регистрируют.
9. Определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров структурных блоков , j=1,…,k; i=1,…,m.
10. Определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров блоков по формуле:
.
11. Замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой. На вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t).
12. Определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек , j=1,…,k,
осуществляя операции, описанные в пунктах 6 и 7 применительно к контролируемой системе.
13. Определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений , j=1,…,k.
14. Вычисляют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы по формуле:
.
15. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправного структурного блока по формуле (3).
16. По максимуму значения диагностического признака определяют дефектный блок.
Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска дефекта для системы, структурная схема которой представлена чертеже.
Передаточные функции блоков:
; 
; 
,
где номинальные значения параметров: T1=5 с; K1=1; K2=1; T2=1 с; K3=1; T3=5 с.
При моделировании в качестве входного сигнала будем использовать единичное ступенчатое воздействие. Время контроля Тk выберем равным 10 с. Выберем параметр интегрирования кратный 
, 
. Величину пробных отклонений выбираем 10%.
Моделирование процессов поиска дефектов в первом блоке (в виде уменьшения параметра T1 на 20%) приводит к вычислению диагностических признаков по формуле (3): J1=1, J2=0.2157, J3=0.9258. Различимость дефекта: 
.
Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного первого блока при использовании минимального диагностического признака (Способ поиска неисправного блока в динамической системе. Пат. 2435189 РФ, МПК7 G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. №2009123999/08, заявл. 23.06.2009, опубл. 27.11.2011, бюл. №33): J1=0, J2=0.7843, J3=0.0742. Различимость дефекта 
.
Моделирование процессов поиска дефектов во втором блоке (в виде уменьшения параметра T2 на 20%) приводит к вычислению диагностических признаков по формуле (3): J1=0.2173, J2=1, J3=0.2545. Различимость дефекта: 
.
Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного второго блока при использовании минимального диагностического признака (Способ поиска неисправного блока в динамической системе. Пат. 2435189 РФ, МПК7 G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. №2009123999/08, заявл. 23.06.2009, опубл. 27.11.2011, бюл. №33): J1=0.7827, J2=0, J3=0.7455. Различимость дефекта 
.
Моделирование процессов поиска дефектов в третьем блоке (в виде уменьшения параметра T3 на 20%) приводит к вычислению диагностических признаков по формуле (3): J1=0.926, J2=0.2522, J3=1. Различимость дефекта: 
.
Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного третьего блока при использовании минимального диагностического признака (Способ поиска неисправного блока в динамической системе. Пат. 2435189 РФ, МПК7 G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. №2009123999/08, заявл. 23.06.2009, опубл. 27.11.2011, бюл. №33): J1=0.074, J2=0.7478, J3=0. Различимость дефекта 
.
Приведенные результаты показывают, что фактическая различимость нахождения дефектов этим способом с уменьшенными вычислительными затратами не хуже, следовательно, не хуже будет и помехоустойчивость способа.
Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений, основанный на том, что фиксируют число m динамических элементов, входящих в состав системы, определяют время контроля ТК≥ТПП, определяют параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения 
, используют тестовый сигнал на интервале t∈[0,TК], в качестве динамических характеристик системы используют интегральные оценки, полученные для вещественных значений α переменной Лапласа, фиксируют число k контрольных точек системы, регистрируют реакцию объекта диагностирования и модели, регистрируют реакцию заведомо исправной системы 
, j=1,…,k на интервале t∈[0, ТK] в k контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов Fjном(α), j=1,…,k системы, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами e-αt, где 
, путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал e-αt, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Тк, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов Fjном(α), j=1,…,k регистрируют, фиксируют число различных пробных отклонений m, определяют интегральные оценки сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений параметров блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы вводят пробное отклонение параметра его передаточной функции и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра α и тестового сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждого из m пробных отклонений Fji(α), j=1,…,k; i=1,…,m регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков ΔPji(α)=Pji(α)-Fjном(α), j=1,…,k; i=1,…,m, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков из соотношения 
, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек Fj(α), j=1,…,k для параметра α, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔFj(α)=Fj(α)-Fjном(α), j=1,…,k, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы из соотношения 
, определяют диагностические признаки, по диагностическим признакам определяют дефект, отличающийся тем, что определяют диагностические признаки из соотношения 
, i=1,…,m, по максимуму диагностического признака определяют неисправный блок.
