Устройство для прогнозирования постепенных отказов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

« 767709 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 040578 (21) 2612134/18-24 (51)М. Кл.з с присоединением заявки Мо

G 05 В 23/02

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Г1риоритет

Опубликовано 300980, бюллетень Мо 36

Дата опубликования описания 300980 (з) У41 621. 317. .08(088.8) (72) Авторы изобретения

P.Н. Цапник и В.Е. Романов

E (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

ПОСТЕПЕННЫХ ОТКАЗОВ

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для оценки технического состояния широкого класса динамических систем и электронных приборов.

Известно устройство для контроля запаса эффективности динамических систем, содержащее двоичные и реверсивный счетчики, сумматор, шифратор, ключи управления, триггеры (11. Это устройство позволяет на базе метода статистических испытаний определить запас эффективности системы, выраженный в виде определенной оценки, 15 учитывающий вес кажцого параметра из контролируемой совокупности. Однако такие устройства не анализируют полученный результат с целью прогнозирования технического состояния систем. 20

Из известных устройств такого типа наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство (2) . Это устройство содержит аналого-цифровой переобразователь, 25 дешифратор, реверсивный счетчик, цифровой квадратор, первый логический блок, первый суммирующий счетчик, вход которого соединен с выходом первого элемента NIH, а первый выход — 30

2 с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу первого триггера; дифференцирующий блок одним из выходом соединен с аналогоцифровым преобразователем, а другой— с блоком управления. Дифференцирующий блок предназначен для выделения участков стационарности контролируемого процесса, на которых проводится вычисление оценки дисперсии и последующее прогнозирование ее изменения. Од-. нако при определении участков стационарности с помощью дифференцирующего блока возникают погрешности, которые объясняются наличием в структуре конт-, ролируемого процесса x(t) случайной составляющий х(t). Так, изменение этой составляющей и изменение математического ожидания mx(t) может привести к тому, что производная сигнала будет равна нулю, хотя на самом деле процесс нестационарен по mx(t).

Этот недостаток усугубляется наличием конечного значения порога чувствительности, устанавливаемым в дифференцирующем блоке на значения проо изводной. Кроме того, изменение x(t)

IIPH %Х(t) COAST ПРИВОДИТ К ТОМУСЯ что производная сигнала не будет рав на нулю. Продолжительность участков

767709 стационарности определяемых с помощью дифференцирующего блока, при этом может быть недостаточной для проведения анализа, например, при наличии в структуре процесса высокочастотной составляющей, что ограничивает область применения устройства в целях оценки технического состояния широкого класса динамических систем.

Устройство является сложным вследствие наличия в нем решающих узлов, выполненных по двойной схеме преобразования, как цифрового, так и аналогового, что приводит к усложнению управления процессами вычислений. Использование в известном устройстве второго реверсивного счетчика по сво- 15 им функциональным возможностям требует сложного управления вычислительными операциями при оригинальности выполнения реверсивного счетчика и регистрирующего устройства, что противо- Щ речит требованиям максимального использования в сложных устройствам схем типовых узлов. Кроме того, устройство содержит блок памяти, наличие которого обусловлено требованием предварительного центрирования стационарного случайного процесса при его анализе, это снижает оперативность обработки контролируемого сигнала.

Цель изобретейия — повышение точности прогнозирования и расширение области применения устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для прогонозирования постепенных отказов, содержащее аналого-цифровой преобразователь, дешиф- З5 ратор, реверсивный счетчик, цифровой квадратор, первый логический блок, первый суммирующий счетчик, регистратор, два триггера, элементы ИЛИ и второй суммирующий счетчик, вход ко- ф{) торого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, а первый выход — с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу первого тРиггеРа, введены .сумматоР и узел ди- 45 скретной фильтрации, вход которого соединен с первым выходом аналогоцифрового преобразователя, а выходы— с первыми входами первого логического блока, подключенного первым и вторым выходами к первому и второму входам аналого-цифрового преобразователя соответственно, третьим и четвертым выходами — к первому и второму входам реверсивного счетчика соответственно, а вторым входом — к выходу - M первого триггера, первый вход которого непосредственно, а второй вход через второй элемент ИЛИ соединены сбответственно со вторым и третьим выходами второго суммирующего счетчи- р ка, подключенного четвертыми выходами через дешифратор к первым входам сум"матора и первого суммирующего счет" - чика И к" йервым входам третьего и четвертого элементов ИЛИ, вторые вхо- ды которых соединены с первым входо. пятого элемента ИЛИ, вторым входом суммирующего счетчика и с первым выходом второго триггера, подсоединенного вторым выходом к первому входу первого элемента ИЛИ, первым входом к первому управляющему входу устройства, а вторым входом — ко второму управляющему входу устройства и ко второму входу второго элемента ИЛИ.

Выходы реверсивного счетчика через последовательно соединенные цифровой квадратор, первый суммирующий счетчик и сумматор подключены ко входам регистратора, третий вход через пятый элемент ИЛИ вЂ” к пятому выходу второго суммирующего счетчика, а четвертый вход — ко второму выходу аналого-цифрового преобразователя, третий вход и выход которого соединены с первым выходом второго суммирующего счетчика и вторым входом первого элемента ИЛИ соответственно. Третьи входы сумматора и первого суммирующего счетчика подключены к выходам третьего и четвертого элементов ИЛИ соответственно, а выход элемента И соединен со вторым входом дешифратора.

Узел дискретной фильтрации содержит второй логический блок, соединенный выходами с выходами узла, а входами непосредственчо и через шесть расширителей Импульсов — с соответствующими выходами третьего, четвертого и пятого триггеров, счетный вход третьего триггера подключен ко входу узла, а выходы — к счетным входам четвертого и пятого триггеров.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 — временные диаграммы его работы.

Устройство содержит аналого-цифровой квадратор 1, состоящий из нульоргана 2, генератора 3 пилообразного напряжения, генератора 4 счетных импульсов и ключей 5, 6. Первый выход аналого-цифрового преобразователя 1 соединен со входом узла 7 дисКретной фильтрации, состоящим из счетных триггеров 8, 9, 10, расширителей 111б импульсов и логического блока 17.

Второй выход аналого-цифрового преобразователя 1 связан с четвертым входом реверсивного счетчика 18, выход которого через последовательно соединенные цифровой квадратор 19, первый суммирующий счетчик 20 и сумматор 21 подключены ко входам регистратора 22. Первый и второй входы реверсивного счетчика 18 соединены соответственно с третьим и четвертым выходами первого логического блока

23. Третий выход аналого-цифрового преобразователя 1 связан со вторым входом первого элемента ИЛИ 24, выход которого .подключен к первому входу второго суммирующего счетчика 25.

Второй вход суммирующего счетчика 25

767709 соединен с первыми входом и выходом пятого элемента ИЛИ 26 и второго триггера 27 соответственно, а третий выход через второй элемент ИЛИ 28— с первым триггером 29, выход которого подключен через элемент И 30 на второй вход дешифратора 31. Соответствующие выходы дешифратора 31 соединены с первыми входами третьего 32 и четвертого 33 элементов ИЛИ.

Работает устройство следующим образом.

Контролируемый параметр x(t) a виде напряжения 0х(е) (фиг. 2) поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 1, в качестве которого применен преобразователь цикличес-, 15 кого действия с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал. Преобразуемое напряжение

0х подается на вход нуль-органа 2, где оно сравнивается с линейно-воз- -щ растающим напряжением 0х, поступающим с генератора 3 пилообразного напряжения. Период пилообразного напряжения Ug засинхрониэирован через суммирующий счетчик 25 с периодом счетных импульсов, генерируемых генератором 4 счетйых импульсов. Применение суммирующего счетчика 25 позволяет получить ряд управляющих импульсов, синхроннных со счетными импульсами.

ЗР

B момент выполнения равенства

0Х = 0К на выходе нуль-органа 2 появляется короткий импульс, который поступает на счетный вход триггера 8 в узле 7 дискретной фильтрации. Н этот 35 момент счетный триггер 8 изменяет свое состояние. Прямой и инверсный выходы триггера 8 соединены соответственно с расширителями 11 и 12, на выходе которых формируются импульсы 4О длительностью, равной длительности периода tp пилообразного напряжения

Ug. Зная моменты времени срабатывания нуль-органа 2 tq,tg,...,tq в каждом цикле преобразования и соответственно отрезки времени t i,t3g,..., t(i, )t (фиг. 2) и длительность периода tp, с помощью логического блока 17 можно выделить разность первого порядка, контролируемого нестационарного случайного процесса x(t) ® (НСП):

,) . 0) .

le x(t„")=x(tQ+$ ) -. х(Е „ )= КЮ, () " где =д, -д ; = (;,)) - ) ) =1, 2,..., и;

g;t4 — значение длительности вре- $5 мя-импульсного сигнала, пропорциональное значению разности первого порядка 0х в точке

K — крутизна развертки ; О де — интервал времени между началом цикла преобразования и моментом Ux -= 0 .

Аналогичным путем выделяется время-импульсные сигналы, соответствуюяие попарной алгебраической сумме двух соседних разностей первого порядка с помощью схем: счетных триггеров 9, 10, логического блока 17 и расширителей 13-16, на выходе которых формируются импульсы, длительностью равной 2t (1) С1)

7. сР =d „+ 0 „+ =(дс„„-д ; ) +

+ (6tI 5t „„< ) = ((. 1)(с-1) 2 t p

Если выходы расширителей 11-16 обозначить в значениях логических функций „,,..., причем присутствие сигнала на вйходе расширителя соответствует логической "1",,отсутствие — логическому "0", то алгоритм работы логического блока 17 записывается с помощью уравнений алгебры-логики в следующем виде: (1)

< =+ +t" =- ")- ь Ь) 4 )Ь )ь> !

1Ъ )) 4 15 ь! где,d — соответственно положи1 тельное и отрицательное значения попарной алгебраической суммы двух значений разности первого порядка.

Работа логического блока 17 в соответствии с приведенным алгоритмом прослеживается на временной диаграмме (фиг. ?).

С выхода узла 7 дискретной фильтрации импульсы, длительность которых соответствует положительной или отрицательной разности первого порядка и их алгебраической сумме, поступают на вход логического блока 23. На выходе логического блока 23 формируются логические функции,Ч, Р, Р4, каждая из которых означает выполнение следующей операции: Р, — управление вычитанием реверсивного счетчика 18, Р— управление сложением реверсив2 ного счетчика 18; Р— разрешение прохождения череэ ключ 6 импульсов частоты 1 = 2f с генератора 4 на счетный вход реверсивного счетчика 18. .Необходимость использования двойной частоты время-импульсного сигнала Р„ вызвана совпадением по времени слагаемых при,вычитании разности второго порядка реверсивным счетчиком 18.

Логика получения управляющих сигналов Р„ - Р) с помощью логического блока 23 описывается следующим алго-, 2 1 2 1 2 1>

Р =юl Ъ„ъ д „д ь, Ъ 1 Д 1 2)

767709

В процессе вычисления разности второго порядка функции x(t) на выходе реверсивного счетчика 18 формируется код вспомогательного случайного стационарного процесса (ВССП), соответ ствующего в каждом цикле преобразо вания"разности второго порядка НСП: (2) ф1 Я

Ч x(t,)= („)- „, )= +, где М вЂ” число импульсов частоты

l заполняющих интервал времени, соответствующий значению разности второго порядка в точке i;

Перед каждым циклом вычислений счетчик 18 устанавливается в нулевое состояние импульсом с суммирующего счетчика 25 через элемент ИЛИ 2б.

Этот мбмент соответствует моменту запуска генератора 3 в каждом цикле, преобразователя и моменту окончания анализа. Снимаемый с выхода счетчик

18 параллельный код за один цикл вычислений пропорционален значению слуо, (2) чайной составляющей х, = с7 x(t< ), предполагая, что на интервале Г0,2 op<)„g$ где м — интервал корреляции процесса, математическое ожидание mx(t) аппроксимируется полиномом первой степени. В соответствии с теорией конечных разностей можно записать, что W)mx(t) = О.

С выхода счетчика 18 параллельный код поступает на цифровой квадратор

19, где образуется параллельный код„ соответствующий квадрату величины значений BCCTI контролируемого параметра с выхода квадратора 19 параллельный код приходит на вход счетчика 20, в котором производится последовательное суммирование кодов за определенное время ъ, равное длитель 1 40 йости периода выборки (см. фиг. 2).

За промежуток времени в счетчике

20 образуется двоичный код оценки дисперсии ВССП:

О ь, (х „), ()=1,2,...,m), I.=-1 где п - число циклов преобразования за промежуток времени ь;

". m — число расчетных интервалов выборки Ь на реализации.

При достиженйи периодом выборки расчетной величины на выходе дешифратора 31 начинают формироваться короткие тактовые импульсы за время, Я равное длительности двух циклов преобразования (фиг. 2), Первым тактовым импульсом в регистрирующее устройство 22 переписывается результат сравнения кодов, записанных в накопи- О тельном счетчике 20 и сумматоре 21.

Вторым тактовым импульсом через элемент ИЛИ 32 сумматор 21 устанавливается в нулевое состояние.. Третьим тактовым импульсом код, записанный в накопительном, счетчике 20, переписывается в сумматор 21, четвертым тактовым импульсом через элемент ИЛИ 33 осуществляется сброс накопительного счетчика 20 в нулевое состояние. Таким образом, регистратор 22 регистрирует величину и знак разности оценок дисперсий ВССП, вычисленных на соседних промежутках времени 2, что позволяет непосредственно провести прогнозирование отказа прибора, так как дисперсии процессов x(t) и х(с) связаны постоянной масштабной зависимостью на временных интервалах .

3 одинаковой длительности.

Бланкирующий триггер 29 запрещает выдачу управляющих импульсов Р— P4 с выхода логического блока 23 во время первых двух циклов преобразования с момента начала дисперсионйого анализа, поскольку первое зна-чение разности второго порядка появляется только в третьем цикле.

Использование узла дискретной фильтрации в схеме предлагаемого устрбйства выгодно отличает его от укаэанного прототипа, так как повышается точность и достоверность прогнозирования изменения оценки дисперсии контролируемого процесса при достижении возможности проведения его оперативной непрерывной обработки.

Точность прогнозирования определяется прежде всего статистической погрешностью вычисления оценки дисперсии и так называемой динамической ошибкой второго рода (, связанной с изменением статистических характеристик исследуемого процесса в течение определенного значения периода сглаживания Т>. Устройство 121 приводит дисперсионный анализ на интервалах локальной стационарности, длительность которых определяется дифференцирующим блоком. При этом относительная ошибка в определении стационарности реализации может достигать 100%, что в дальнейшем при вычислении оценки дисперсии определяет с цественный вес составляющей в руктуре погрешности прогнозирова;я, Использование узла дискретной фильтрации в схеме предлагаемого устройства позволяет привести контролируемый в общем случае нестационарный процесс к стационарному через разности второго порядка для исключения влияния скорости измененйя математического ожидания на участке ТВ =

*2 В этом случае составляющая м.к. -= 0 и погрешность прогноза будет в основном определяться составляющей которая н свою бчередь зависит от принятого алгоритма вычисления оценки дисперсии, интервала дискретизации процесса и длительности участка на котором вычисляется оценка дисперсиии. Оптимальный выбор этих величин определяет погрешность вычисления

767709

10 оценки дисперсии на расчетном интервале .

Наличие непрерывной простбй линейной зависимости между значениями дисперсии исходного нестационарного процесса x(t) и вспомогательного x(t), ьi 1 т" т.е. DL — 0, позволяет вести прогнозирование непосредственно по оценке дисперсии 0 вспомогательного стационарного процесса x(t). Возможность непрерывного приведения нестационарного, по математическому ожиданию, случайного процесса к стационарному процессу, точная и .оперативная обработка которого не представляет трудностей, позволяет расширить об- !5 ласть применения устройства в целях оценки технического состояния широкого класса динамических систем и .электронных приборов.

Повсеместное использование в уст- Щ ройстве унифицированных цифровых узлов позволяет упростить устройство и применить стандартные микросхемы средней интеграции, выпускаемые отечественной промышленностью без приме- кения дополнительных элементов, что повышает надежность работы устройства и облегчает его конструктивное использование.

Указанные положения подтверждены результатами исследований, полученны- ЗО ,ми в процессе лабораторного макетирования устройства.

Формула изобретения

1. Устройство для прогнозирования постепенных отказов, содержащее аналого-цифровой преобразователь, дешифратор, реверсивный счетчик, цифровой квадратор, первый логический блок, первый суммирующий счетчик, регистратор, два триггера, элементы ИЛИ и второй суммирующий счетчик, вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, а первый выход — с первым 45 входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу первого триггера, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и расширения области применения устройства, оно содержит сумматор и узел дискретной фильтрации, вход которого соединен с первым выходом аналогоцифрового преобразователя, а выходы— с первыми входами первого логического блока, подключенного первым и вторым выходами к первому и второму входам аналого-цифрового преобразователя соответственно, третьи а и четвертым

Ьыходами — к первому и второму входам реверсивного счетчика соответственно, а вторым входом — к выходу первого триггера, первый вход которого непосредственно, а второй вход через второй элемент ИЛИ соединены соответственно со вторым и третьим выходами второго суммирующего счетчика, подключенного четвертыми выходами череэ -. дешифратор к первым входам сумматора и первого суммирующего счетчика и к первым входам третьего и четвертого элементов ИЛИ, вторые входы которых соединены с первым входом пятого элемента ИЛИ,вторым входом суммирующего счетчика и с первым выходом второго триггера, подсоединенного вторым выходом к первому входу первого элемента ИЛИ, первым входом — к первому управляющему входу устройства, а вторым входом — ко второму управляющему входу устройства и ко второму входу второго элемента ИЛИ, выходы реверсивного счетчика через последовательно соединенные цифровой квадратор, первый суммирующий счетчик и сумматор подключены ко входам регистратора, третий вход через пятый элемент

ИЛИ вЂ” к пятому выходу второго суммирующего счетчика, а четвертый вход— ко второму выходу аналого-цифрового преобразователя, третьи вход и выход которого соединены с первым выходом второго суммирующего счетчика и вторым входом первого элемента ИЛИ соответственно, причем третьи входы сумматора и первого суммирующего счетчика подключены к выходам третьего и четвертого элементов ИЛИ соответственно, а выход элемента И соединен со вторым входом дешифратора.

2. Устройство по и. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что узел дискретной фильтрации содержит второй логический блок, соедине йый выходами с выходами узла, а входами непосредственно и через шесть расширителей импульсов — с соответствующими выходами третьего, четвертого и пятого триггеров, счетный вход третьего триггера подключен ко входу узла, а выходы — к счетным входам четвертого и пятого триггеров.

Источники информации, tIpHHHTHe BO BHHMcLHMB JIpH экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 429418, кл. G 05 В 23/02, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 428361, кл. G 05 B 23/02, 1971.

767709

Вы/

Вы

Составитель В. Максимов

Редактор И. Грузова Текред А.Ач Корректор Г.. Решетник

Заказ 7193/43

Тираж 956 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 с с