Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений
METHOD OF SEARCHING FAULTY UNIT IN CONTINUOUS DYNAMIC SYSTEM BASED ON INTRODUCTION OF TRIAL DEVIATIONS

Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов.
7
Известен способ поиска неисправного блока в динамической системе (Способ поиска неисправного блока в динамической системе: пат. 2435189 Рос. Федерация: МПК 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 является то, что он предполагает использование сложных диагностических признаков наличия дефекта в структурном блоке системы.
7
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе (Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе: пат. 2461861 Рос. Федерация: МПК G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С. - №2011140376/08; заявл. 04.10.2011; опубл. 20.09.2012, Бюл. №26).
Недостатком этого способа является то, что он использует вычисление знаков передач сигналов от выходов блоков до контрольных точек.
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является уменьшение аппаратных и программных затрат, связанных с реализацией вычисления знаков передач сигналов от выходов блоков до контрольных точек.
j ном
K
j ном
к
j ном
ji
ji
ji
j ном
ji
j
j
j
j ном
j
-αt
-αt
Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной системы ƒ(t), j=1, …, k на интервале t ∈ [0, T] в k контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов F(α), j=1, …, k системы, для чего в момент подачи входного сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами e, где , путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал e, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени T, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F(α), j=1, …, k регистрируют, фиксируют число m рассматриваемых блоков системы, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений для m 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 входного сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждого из m пробных отклонений P(α), j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров разных структурных блоков ΔP(α) = P(α) - F(α), j=1, …, k; i=1, …, m, определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений для дефектов sign(ΔP(α)), j=1, …, k; i=1, …, m, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F(α), j=1, …, k для параметра интегрирования α, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF(α) = F(α) - F(α), j=1, …, k, определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений sign(ΔF(α)), j=1, …, k.
ji
j
Затем производят операцию попарного сравнения элементов вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров разных структурных блоков из соотношения sign(ΔP(α)), j=1, …, k; i=1, …, m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(ΔF(α)), j=1, …, k по формуле:
ji
j
Поскольку операция  есть операция эквивалентности, то выражение (1) принимает значение 1 только в том случае, когда все элементы векторов sign(ΔP(α)), j=1, …, k и sign(ΔF(α)), j=1, …, k для каждой контрольной точки попарно равны.
ji
j
Затем производят операцию попарного сравнения элементов инверсии вектора пробных отклонений параметров для i-го блока inv(sign(ΔP(α))), j=1, …, k; i=1, …, m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(ΔF(α)), j=1, …, k по формуле:
ji
j
Поскольку операция  есть операция эквивалентности, то выражение (2) принимает значение 1 только в том случае, когда все элементы векторов inv(sign(ΔP(α))), j=1, …, k. и sign(ΔF(α)), j=1, …, k для каждой контрольной точки попарно равны.
Затем производят вычисление бинарных диагностических признаков из соотношения:
Первое слагаемое формулы (3) принимает значение 1, если знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы от номинальных значений совпадают с элементами вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений параметров разных структурных блоков, второе слагаемое формулы (3) принимает значение 1, если знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы от номинальных значений совпадают с инвертированными элементами вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров разных структурных блоков. Инверсия вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров разных структурных блоков учитывает возможность проявления дефекта одного и того же блока как со знаком плюс (например увеличение значения параметра блока), так и со знаком минус (например уменьшение значения параметра блока).
По единичному значению бинарного диагностического признака определяют структурный блок с дефектом.
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 блоков.
К
ПП
ПП
2. Предварительно определяют время контроля Т>Т, где Т - 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.
i
5. Предварительно определяют векторы знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели sign(ΔP(α)), i=1, …, m, полученные в результате пробных отклонений i-го номера каждого из m дефектов 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.
j ном
К
j ном
к
j ном
-αt
-αt
7. Регистрируют реакцию системы ƒ(t), j=1, …, k на интервале t ∈ [0, Т] в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов F(α), j=1, …, k системы. Для этого в момент подачи тестового сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование выходных сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами e, где , для чего сигналы системы управления подают на первые входы k блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал e, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F(α), j=1, …, k регистрируют.
ji
8. Определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений каждого из m дефектов блоков, для чего поочередно для каждого параметра разных структурных блоков динамической системы вводят пробное отклонение этого параметра передаточной функции и выполняют пункты 6 и 7 для одного и того же входного сигнала x(t). Полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждой из m моделей с пробными отклонениями P(α), j=1, …, k;, i=1, …, m регистрируют.
ji
ji
j ном
9. Определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров структурных блоков ΔP(α) = P(α) - F(α), j=1, …, k; i=1, …, m.
ji
10. Определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров блоков по формуле sign(ΔP(α)), j=1, …, k; i=1, …, m.
11. Замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой. На вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t).
j
12. Определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F(α), j=1, …, k, осуществляя операции, описанные в пунктах 6 и 7 применительно к контролируемой системе.
j
j
j ном
13. Определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF(α) = F(α) - F(α), j=1, …, k.
j
14. Определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для к контрольных точек от номинальных значении sign(ΔF(α)), j=1, …, k.
ji
j
15. Производят операцию попарного сравнения элементов вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров i-го блока sign(ΔP(α)), j=1, …, k; i=1, …, m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(ΔF(α)), j=1, …, k по формуле:
, i=1, …, m.
ji
j
16. Производят операцию попарного сравнения элементов инверсии вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров i-го блока inv(sign(ΔP(α))), j=1, …, k; i=1, …, m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(ΔF(α)), j=1, …, k по формуле:
, i=1, …, m.
17. Производят вычисление бинарных диагностических признаков из соотношения:
, i=1, …, m.
18. По единичному значению бинарного диагностического признака определяют структурный блок с дефектом.
Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска дефекта для системы, структурная схема которой представлена на рисунке (см. фиг. Структурная схема объекта диагностирования).
Передаточные функции блоков:
; ; ,
1
1
2
2
3
3
номинальные значения параметров: K=1; T=5 с; K=1; Т=1 с; K=1; Т=5 с.
1
к
1
2
3
При поиске одиночного дефекта в виде отклонения постоянной времени Т=4 с (дефект №1) в первом звене путем подачи ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегральных оценок сигналов для параметра α=0.5 и Т=10 с получены значения бинарных диагностических признаков наличия дефекта по формуле (3) при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков. Дефект, вычисленный по формуле (3), дает следующие значения бинарных диагностических признаков: J=1; J=0; J=0.
Моделирование процессов поиска дефектов во втором и третьем блоках для данного объекта диагностирования, при том же параметре интегрирования α и при единичном ступенчатом входном сигнале дает следующие значения бинарных указателей:
2
1
2
3
При наличии дефекта в блоке №2 (в виде уменьшения параметра Т на 20%, дефект №2): J=0; J=1; J=0.
3
1
2
3
При наличии дефекта в блоке №3 (в виде уменьшения параметра Т на 20%, дефект №3): J=0; J=0; J=1.
Единичное значение бинарного диагностического признака во всех случаях правильно определяет дефектный блок.