СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКАЗАВШЕГО ДАТЧИКА УГЛОВОЙ СКОРОСТИ В ИЗБЫТОЧНОЙ СИСТЕМЕ
METHOD OF DETERMINING FAILED ANGULAR VELOCITY SENSOR IN REDUNDANT SYSTEM

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.
i
0
m
m
(m-1)
(m-1)
0
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ, реализованный в [2], включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения a, i…=1, 2,… n, где n - число датчиков, периодическую с периодом Т проверку соотношения связи измеренных параметров движения, характеризующего исправную работу датчиков, проведение сравнения показаний a каждого датчика на момент времени Т (m=1, 2, 3,…) нарушения соотношения связи измеренных параметров движения с показаниями a того же датчика на момент времени T=(m-1)·Т.
Недостаток этого способа состоит в том, что он не позволяет определить отказавший датчик, если процесс отказа датчика развивается медленно, например, за счет постепенного изменения масштабирующего коэффициента датчика или изменения сигнала смещения и ухода их за пределы допустимых значений.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей за счет возможности определения отказавшего датчика в условиях медленного изменения масштабирующего коэффициента или сигнала смещения.
i
0
iп
0
iп
iп
i
i
0
i
0
i
i
iп
i
Эта задача достигается тем, что способ определения отказавшего датчика угловой скорости в избыточной системе, включающий измерение каждым датчиком параметров вектора угловой скорости а, где i=1, 2,… n, n - число датчиков, периодическую с периодом Т проверку соотношения связи измеренных параметров a вектора угловой скорости а, по которому определяют отказ датчика, предполагает, что с момента нарушения соотношения связи измеренных параметров производят разворот системы относительно заданной оси на заданный угол φ, при этом с момента начала разворота и до его окончания производят интегрирование измеренных параметров а и по окончании разворота производят сравнение полученных в результате интегрирования сигналов φ с заданными значениями φ, где , φ=φcosβ, t - время выполнения разворота, β- угол между заданной осью вращения и измерительной осью i-ного датчика угловой скорости, и если в результате сравнения сигнал Δ=φ-φ превышает заданное значение Δ, то i-й датчик является отказавшим.
0
1
2
3
4
На чертеже приведена координатная схема, поясняющая расположение измерительных осей датчиков и направления заданной оси вращения. На этой схеме: x, у, z - направление базовых ортогональных осей, относительно которых производится управление, 1, 2, 3, 4 - направление измерительных осей датчиков угловой скорости, a - направление заданной оси вращения, α, α, α и α - углы между направлением заданной оси вращения и направлением измерительных осей 1, 2, 3 и 4 соответственно.
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.
ki
Пусть избыточная система содержит четыре датчика (фиг.1), измерительные оси которых направлены по координатным осям 1, 2, 3, 4, а их углы расположения относительно ортогонального базиса x, у, z равны α (k=х, у, z, i=1, 2, 3, 4). Введем обозначения:
i
k
ki
ki
a - вектор угловой скорости, а - измерения (выходные сигналы) датчиков угловой скорости, а - проекции вектора угловой скорости а на оси х, у, z; b=cos α - направляющие косинусы, р, r, s (р, r, s=1, 2,… n, p≠r≠s) - измерительные оси системы, j - комбинации (сочетания) трех измерительных осей р, r, s системы из возможных n. Для n=4 число таких комбинаций четыре: j=[1, 2, 3], [1, 2, 4], [1, 3, 4], [2, 3, 4], (пусть р=1, r=2, s=3),
k
ki
- вектор - столбец проекций a вектора а на оси х, у, z,  - матрица 3×3 направляющих косинусов b выбранной комбинации j датчиков,  - вектор - столбец измерений датчиков выбранной комбинации j.
С учетом введенных обозначений имеем
х
y
z
Если a, a, a - проекции вектора угловой скорости а, то имеет место соотношение
l
где a - измерение (выходной сигнал) датчика измерительной оси I, I - направление измерительной оси, не совпадающей с осями р, r, s. Равенство (2) и есть соотношение связи измеренных параметров движения. Для определенности спроектируем вектор а на ось 4. С учетом равенств (1) и (2) имеем
1
2
3
где коэффициенты C, C, С определяются из (1) и (2). Как следует из (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 δ), что свидетельствует о неисправности в системе из четырех датчиков. Заданное значение δ определяется допустимыми погрешностями датчиков, возможными предельными значениями измеряемых параметров.
0
m
0
2
2п
Осуществим периодическую с периодом Т проверку соотношения связи параметров движения (2) на равенство нулю (на принадлежность к заданному интервалу) величины R. Пусть в некоторый момент времени Т=m·Т (m=1, 2…) произошло нарушение соотношения связи (3), при котором величина R вышла за пределы дозволенных значений. Предположим, что произошел медленный отказ датчика 2 (произошел уход масштабирующего коэффициента или изменился сигнал смещения), при этом нарушилось соотношение связи (3). Предположим также, что изменился масштабирующий коэффициент М и сигнал смещения Δа второго датчика угловой скорости. Пусть масштабирующий коэффициент М датчика 2 стал равным M, при этом
2
i
i
2
2п
где ΔК - относительное изменение масштабирующего коэффициента М. Для простоты будем предполагать, что масштабирующие коэффициенты M всех датчиков угловой скорости равны единице (M=1), а сигналы смещения исправных датчиков равны нулю или скомпенсированы системой управления. Пусть сигнал смещения Δа второго датчика стал равным Δа, причем,
2
2
где δа - изменение сигнала смещения Δа. Считаем, что сигнал смещения Δаблизок к нулю либо скомпенсирован системой и далее его учитывать не будем.
1
2
3
4
1п
2п
3п
4п
1П
2П
3П
4П
Введем обозначения. Пусть a, а, a, a - достоверные сигналы измерительных датчиков, a, a, а, а - фактические показания датчиков. В этом случае сигналы а, а, а, а будут равны
0
0
0
i
0
0
i
Осуществим разворот системы относительно заданной оси а (фиг.1) на заданный угол φ. Пусть заданная ось a определяется углами β относительно измерительных осей 1, 2, 3, 4. Предположим, что разворот системы относительно заданной оси а (фиг.1) на заданный угол φ происходит с некоторой угловой скоростью а. В этом случае проекции вектора угловой скорости а на измерительные оси 1, 2, 3, 4 а будут равны
0
0
iп.
iп
Пусть разворот на заданный угол φ происходит в течение времени t. Произведем в течение этого времени интегрирование сигналов датчиков угловой скорости аПолученные в результате интегрирования сигналы φ будут равны
0
Заданный угол поворота φ определяется в соответствии с (9)
i
iп
i
Заданные значения сигналов φ могут быть получены из (8) при условии замены сигнала а достоверным сигналом a. С учетом (7) и (9)
iп
С учетом (6), (7) и (9) сигналы φ будут равны
i
iп.
i
iп
i
Сравним сигналы φ и φНайдем разность Δ=φ-φ.
2
1
3
4
0
1
3
4
2
2
2
Как следует из (15), лишь сигнал Δ отличается от нуля (или некоторого заданного значения Δ). Сигналы Δ, Δ и Δ близки к нулю или не превышают заданное значение Δ, величина которого для исправных датчиков определяется допустимыми изменениями масштабирующего коэффициента и сигнала смещения датчика угловой скорости. Если, например, заданный угол поворота φ=30°, угловая скорость поворота а=0,3°/с, допустимое изменение масштабирующего коэффициента не превышает 0,1%, допустимое изменение сигнала смещения менее 0,0005 °/с, то заданное значение Δ=0,08°. В рассматриваемом случае сигналы Δ, Δ и Δ для исправно работающих датчиков не превышают заданного значения Δ, а сигнал Δдля отказавшего датчика будет превышать заданное значение Δ. Если, например, изменение масштабирующего коэффициента второго отказавшего датчика составляет 0,15%, а изменение сигнала смещения составляет 0,001 °/с, то в соответствии с (15) Δ=0,145°. Значение Δ превышает заданное значение Δ, что свидетельствует об отказе второго датчика.
m
m-1
m
m
m
m-1
m-1
При использовании известного способа определения отказавшего датчика [2] в случае "медленного" развития отказа, например, за счет изменения масштабирующего коэффициента или сигнала смещения определение отказавшего датчика в минимально избыточной системе практически не представляется возможным, так как выходные сигналы датчиков на момент времени Т нарушения соотношения связи измеренных параметров и на момент времени T выполнения соотношения связи измеренных параметров практически будут совпадать и разность Δaпоказаний a любого датчика на момент времени Т и показаний a этого же датчика на момент времени T будет меньше заданного значения Δ.
Таким образом, рассмотренный способ позволяет определить отказавший датчик в условиях медленного изменения масштабирующего коэффициента или сигнала смещения, что расширяет функциональные возможности системы управления.
0
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 разворота на заданный угол φ, интегрирование сигналов в течение заданного времени, сравнение сигналов и определение отказавшего датчика по результатам сравнения.
Источники информации
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, кл. G05B 23/02.