Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала
METHOD OF SEARCHING FOR FAULTY UNIT IN CONTINUOUS DYNAMIC SYSTEM BASED ON CHANGE OF POSITION OF INPUT SIGNAL

Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов.
7
Известен 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.
7
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала (Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала: пат. 2528135 Рос. Федерация: МПК G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С. - №2013144231/08; заявл. 01.10.2013; опубл. 10.09.2014, Бюл. №25).
Недостатком этого способа является то, что он предполагает использование сложных диагностических признаков наличия дефекта в структурном блоке системы.
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является уменьшение аппаратных и вычислительных затрат, связанных с реализацией вычисления диагностических признаков наличия дефекта.
j
ном
K
j
ном
к
j
ном
ji
ji
ji
j
ном
ji
j
j
j
j
ном
j
j
k
k
j
k
k
e
k
e
k
k
j
k
m
k
m
m
x(t)
k
m
Y
j
k
i
m
Y
Y
F
j
k
i
m
Y
j
k
i
m
x(t)
k
F
j
k
F
F
F
j
k
k
F
j
k
-αt
-αt
Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной системы ƒ(t), =1, …,  на интервале t∈[0,T] в  контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов F(α), =1, …,  системы, для чего в момент подачи входного сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из  контрольных точек с весами , где , путем подачи на первые входы  блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал , выходные сигналы  блоков перемножения подают на входы  блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F(α), =1, …,  регистрируют, фиксируют число  блоков системы, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из  контрольных точек и каждой из  позиций входного сигнала, полученные в результате смены позиции входного сигнала после каждого из  блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы перемещают место подачи входного сигнала на выход каждого блока, подают через сумматор входной сигнал и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра α и входного сигнала , полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из  контрольных точек и каждой из  моделей с различной (зафиксированной на выходах разных блоков) позицией входного сигнала (α),  = 1, …, ;  = 1, …,  регистрируют, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков Δ(α)=(α)-(α), =1, …, ; =1, …, , определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков singn(Δ(α)), =1, …, ; =1, …, , замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал , определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для  контрольных точек (α), =1, …,  для параметра интегрирования α, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для к контрольных точек от номинальных значений Δ(α)=(α)-(α), =1, …, , определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для  контрольных точек от номинальных значений sign(Δ(α)),  = 1, …, .
i
Y
j
k
i
m
F
j
k,
ji
j
Затем производят операцию попарного сравнения элементов вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков -го блока sign(Δ(α)), =1, …, ; =1, …,  и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(Δ(α)), =1, …,  по формуле:
Y
j
k
F
j
k
ji
j
Поскольку операция ≡ есть операция эквивалентности, то выражение (1) принимает значение 1 только в том случае, когда все элементы векторов sign(Δ(α)), =1, …,  и sign(Δ(α)),  = 1, …,  для каждой контрольной точки попарно равны.
i
Y
j
k
i
m
F
j
k
ji
j
Затем производят операцию попарного сравнения элементов инверсии вектора топологических связей -го блока inv(sign(Δ(α)), =1, …, ; =1, …, , и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(Δ(α)), =1, …, , по формуле:
Y
j
k
F
j
k
ji
j
Поскольку операция ≡ есть операция эквивалентности, то выражение (2) принимает значение 1 только в том случае, когда все элементы векторов inv(sign(Δ(α))), =1, …, . и sign(Δ(α)), =1, …, , 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 перемещения позиции входного сигнала, 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 перемещения позиции входного сигнала. Инверсия вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих 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:
m
1. В качестве динамической системы рассматривают систему, состоящую из произвольно соединенных  динамических блоков.
Т
Т
Т
К
ПП
ПП
2. Предварительно определяют время контроля  ≥ , где  - время переходного процесса системы. Время переходного процесса оценивают для номинальных значений параметров динамической системы.
3. Определяют параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения .
k
4. Фиксируют число контрольных точек .
Y
i
m
i
m
i
5. Предварительно определяют векторы знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели sing(Δ(α)),  = 1, …, , полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после -го блока каждого из  блоков для номинальных значений параметров передаточных функций блоков и определенного выше параметра α, для чего выполняют пункты 6-10.
x(t)
6. Подают тестовый сигнал  (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
κ
j
ном
j
k
Т
k
F
j
k
k
e
k
e
k
Т
F
j
k
-αt
-αt
7. Регистрируют реакцию системы ƒ(t), =1, …, , на интервале t∈[0,] в  контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов (α), =1, …, , 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  контрольных точек с весами , где , для чего сигналы системы управления подают на первые входы  блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал , выходные сигналы к блоков перемножения подают на входы  блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени , полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов (α), =1, …,  регистрируют.
k
m
x(t)
k
m
Y
j
k
m
ji
8. Определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из  контрольных точек, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из  блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы перемещают позицию входного сигнала на выход блока, подают через сумматор входной сигнал и выполняют пункты 6 и 7 для одного и того же входного сигнала . Полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из  контрольных точек и каждой из  моделей с перемещенной позицией входного сигнала (α), =1, …, ; i=1, …, , регистрируют.
Y
Y
F
j
k
i
m
ji
ji
j
ном
9. Определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала со входа на позицию после каждого из соответствующих блоков Δ(α) = (α)- (α), =1, …, ; =1, …, .
Y
j
k
i
m
ji
10. Определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков sign(Δ(α)), =1, …, ; =1, …, .
x(t)
11. Замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой. На вход системы подают аналогичный тестовый сигнал .
k
F
j
k,
j
12. Определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для  контрольных точек (α), =1, …,  осуществляя операции, описанные в пунктах 6 и 7 применительно к контролируемой системе.
F
F
F
j
k
j
j
j
ном
13. Определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений Δ(α) = (α)- (α), =1, …, .
k
F
j
k
j
14. Определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для  контрольных точек от номинальных значений sign(Δ(α)), =1, …, .
i
Y
j
k
i
m
F
k
ji
j
15. Производят операцию попарного сравнения элементов вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате смены позиции входного сигнала -го блока sign(Δ(α)), =1, …, ;  =1, …, , и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(Δ(α)), j=1, …, , по формуле:
i
Y
j
k
i
m
F
j
k
ji
j
16. Производят операцию попарного сравнения элементов инверсии вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате смены позиции входного сигнала -го блока inv(sign(Δ(α))), =1, …, ; =1, …, , и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(Δ(α)), =1, …, , по формуле:
17. Производят вычисление бинарных диагностических признаков из соотношения:
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:
; ; ,
k
=1; T
=5 с; k
=1; Т
=1 с; k
=1; Т
=5 с.
1
1
2
2
3
3
номинальные значения параметров:
Т
=4с
Т
с
J
=1; J
=0; J
=0
1
κ
1
2
3
При поиске одиночного дефекта в виде отклонения постоянной времени  (дефект №1) в первом звене путем подачи ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегральных оценок сигналов для параметра α=0.5 и =10  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: .
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:
Т
J
=0; J
=1; J
=0
2
1
2
3
При наличии дефекта в блоке №2 (в виде уменьшения параметра  на 20%, дефект №2): .
Т
J
=0; J
=0; J
=1
3
1
2
3
При наличии дефекта в блоке №3 (в виде уменьшения параметра  на 20%, дефект №3): .
Единичное значение бинарного диагностического признака во всех случаях правильно определяет дефектный блок.