СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКАЗАВШЕГО ДАТЧИКА В ИЗБЫТОЧНОЙ СИСТЕМЕ
METHOD FOR DETERMINING SENSOR FAILED IN REDUNDANT SYSTEM

Предлагаемое 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 а 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 и ухода его за пределы допустимых значений.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей за счет возможности определения отказавшего датчика в условиях медленного изменения масштабирующего коэффициента.
i
0
i
i
Эта задача достигается тем, что способ определения отказавшего датчика в избыточной системе, включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения а, где i=1, 2, ……n, n - число датчиков, периодическую с периодом Т проверку соотношения связи измеренных параметров вектора движения, по которому определяют отказ датчика, предполагает, что с момента нарушения соотношения связи измеренных параметров поочередно для датчиков изменяют в заданных пределах масштабирующий коэффициент измеренных ими сигналов а, проверяя при этом всякий раз соотношение связи измеренных параметров вектора движения, и при достижении соотношением связи некоторого заданного значения Δ оставляют масштабирующий коэффициент соответствующего датчика фиксированным и в течение заданного времени Т осуществляют проверку соотношения связи и, если в течение этого времени соотношение связи не нарушается, определяют как отказавший датчик, масштабирующий коэффициент которого зафиксирован в данный момент времени, а если при изменении в заданных пределах масштабирующего коэффициента каждого измеренного сигнала а соотношение связи не выполняется в течение времени Т, системе задают детерминированное движение и производят оценку соответствия выходных сигналов датчиков детерминированному движению, при этом отказавшим датчиком является тот, сигнал которого отличается от заданного значения на некоторую заданную величину Δа.
x1
y1
z1
На чертеже приведена координатная схема, поясняющая расположение измерительных осей датчиков и направления измеряемого параметра. На этой схеме: х, у, z, - направление базовых ортогональных осей, относительно которых производится управление, 1, 2, 3, 4 - направление измерительных осей датчиков, а - направление измеряемого вектора движения, α, α, α - углы между направлением измерительной оси 1 и соответственно измерительными осями х, у, 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.
ki
Пусть избыточная система содержит четыре датчика (см. чертеж), измерительные оси которых направлены по координатным осям 1, 2, 3, 4, а их углы расположения относительно ортогонального базиса х, у, z равны α (k=х, у, z, i=1, 2, 3, 4). Введем обозначения:
i
k
ki
ki
а - вектор движения, а - измерения (выходные сигналы) датчиков, а - проекции вектора движения 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),
ki
- вектор - столбец проекций ak вектора а на оси x, 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 движения а, то имеет место соотношение
где  - измерение (выходной сигнал) датчика измерительной оси - направление измерительной оси, не сов падающей 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 С, 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
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), при этом нарушилось соотношение связи (3). Пусть масштабирующий коэффициент М (для простоты считаем, что М=1) датчика 2 стал равным М, при этом
где ΔК - относительное изменение масштабирующего коэффициента М.
1
2
3
4
1П
2П
3П
4П
М
М
М
1П
1П
d1
Введем обозначения. Пусть a, a, a, a - достоверные сигналы измерительных датчиков, а, а, а, а - фактические показания датчиков, ΔК - максимально возможное заданное изменение масштабирующего коэффициента, причем ΔК>ΔК>-ΔК. Изменим масштабирующий коэффициент сигнала а, масштабируемый сигнал а обозначим а и представим его в виде
1П
2П
3П
4П
при этом сигналы а, а, а, а будут равны
М
М
d1
Величину ΔХ будем изменять в пределах от -ΔК до ΔК (для простоты считаем, что масштабирующие коэффициенты всех датчиков одинаковы). Определим, при каких условиях возможно выполнение соотношения (3). Подставим в соотношение (3) фактические показания датчиков (6) и сигнал a. Имеем
Как следует из (7), это соотношение может быть выполнено только при условии
1
2
1
2
1
2
1
Из (8) коэффициент ΔХ определяется не только постоянными величинами C, C, ΔК, но и переменными сигналами датчиков а и a. Выполнить соотношение (7) не представляется возможным вследствие постоянно изменяющегося и не прогнозируемого соотношения сигналов a и а в процессе управления. Следовательно, изменением масштабирующего коэффициента сигнала a исправно работающего датчика невозможно достичь выполнения соотношения связи (3).
2П
2П
d2
Изменим масштабирующий коэффициент сигнала a, масштабируемый сигнал a обозначим a и представим его в виде (5)
В этом случае
Как следует из (10), это соотношение может быть выполнено при условии
При условии (11) соотношение связи (3) будет выполняться постоянно в течение заданного времени Т, так как в этом условии отсутствуют переменные составляющие. Следовательно, в случае изменения масштабирующего сигнала только того датчика, который отказал, удается добиться выполнения соотношения связи (3) и тем самым определить отказавший датчик.
i
Предположим, что при изменении масштабирующего коэффициента каждого сигнала а не выполняется соотношение связи измеренных параметров движения (3), что свидетельствует о "грубом" отказе одного из датчиков. Произведем оценку соответствия выходных сигналов детерминированному движению. Зададим системе детерминированное движение (например, путем включения двигателя с известным вращающим моментом на фиксированное время). При задании детерминированного движения описанным выше способом каждый из датчиков должен иметь выходной сигнал, соответствующий заданной угловой скорости с точностью Δа. Отказавшим является тот датчик, у которого выходной сигнал отличается от заданного более чем на величину Δа.
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 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 Δа показаний 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, что расширяет функциональные возможности системы управления.
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 формирования дополнительного сигнала с изменением масштабирующего коэффициента, задания детерминированного движения, проверки принадлежности сигналов к заданной области значений и определение отказавшего датчика по результатам проверки.
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, кл. G05B 23/02.