Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе функции чувствительности
METHOD OF SEARCHING FOR A FAULTY UNIT IN A CONTINUOUS DYNAMIC SYSTEM BASED ON A SENSITIVITY FUNCTION

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. 2439648 Рос. Федерация: МПК G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2010142159/08; заявл. 13.10.2010; опубл. 10.01.2012, Бюл. №1).
Недостатком этого способа является то, что он использует задание величин относительных отклонений параметров передаточных функций для моделей с пробными отклонениями.
7
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе функции чувствительности (Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе функции чувствительности: пат. 2680928 Рос. Федерация: МПК G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2018111888; заявл. 02.04.2018; опубл. 28.02.2019, Бюл. №7).
Недостатком этого способа является то, что он обеспечивает определение дефектов с невысокой различимостью, так как не использует многократного интегрирования сигналов.
1
2
n
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является улучшение помехоустойчивости способа диагностирования непрерывных систем автоматического управления путем улучшения различимости дефектов. Это достигается путем применения многократного вычисления интегральных оценок динамических характеристик для нескольких различных значений параметра интегрирования α, α… α.
к
Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной системы  на интервале  в k контрольных точках, и многократно определяют одновременно интегральные оценки выходных сигналов  системы для n значений параметра интегрирования , 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 , путем подачи на первые входы k⋅n блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальные сигналы  для n блоков интегрирования, выходные сигналы k⋅n блоков перемножения подают на входы k⋅n блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени T, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов  регистрируют, фиксируют число m блоков системы, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек и n параметров интегрирования, и каждой из m моделей с функциями структурной чувствительности для каждого из m блоков динамической системы, для чего соединяют связью две модели: на вход первой модели подают тестовый сигнал x(t), выходом первой модели определяют вход контролируемого блока, соединяют выход первой модели со входом второй, входом второй модели становится выход контролируемого блока, находят интегральные оценки выходных сигналов системы для n параметров  и входного сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждой из m совмещенных моделей со структурной функцией чувствительности  регистрируют, определяют нормированные значения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате структурной функции чувствительности каждого из соответствующих блоков для n параметров интегрирования из соотношения
замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный входной сигнал x(t), определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек  и для n параметров интегрирования , определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования от номинальных значений  определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы для и параметров интегрирования из соотношения
определяют диагностические признаки при я параметрах интегрирования из соотношения
по минимуму значения диагностического признака определяют порядковый номер структурного дефекта.
Таким образом, предлагаемый способ поиска структурного дефекта сводится к выполнению следующих операций:
1. В качестве динамической системы рассматривают систему, состоящую из произвольно соединенных динамических блоков, с количеством рассматриваемых блоков m.
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.
k
3. Определяют n параметров кратных 5/T многократного интегрирования сигналов.
4. Фиксируют число контрольных точек k.
5. Предварительно определяют нормированные векторы  интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате интегрирования функций чувствительности i-го блока каждого из m блоков для номинальных значений параметров передаточных функций блоков и n определенных выше параметров , для чего выполняют пункты 6-10.
6. Подают входной 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.
к
7. Регистрируют реакцию системы  на интервале  в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов  системы. Для этого в момент подачи входного сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование (при n параметрах ) сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами , для чего сигналы системы управления подают на первые входы k⋅n блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальные сигналы , выходные сигналы k⋅n блоков перемножения подают на входы k⋅n блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов  регистрируют.
8. Определяют интегральные оценки выходных сигналов модели чувствительности для каждой из k контрольных точек и каждого из n значений параметра интегрирования , полученные в результате использования структурной функции чувствительности каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы соединяют связью две модели: на вход первой модели подают тестовый сигнал x(t) выходом первой модели становится вход контролируемого блока, соединяют выход первой модели со входом второй, входом второй модели становится выход контролируемого блока, 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, каждой из m совмещенных моделей со структурной функцией чувствительности и каждого из n параметров интегрирования  регистрируют.
9. Определяют нормированные значения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате использования структурной функции чувствительности по формуле
10. Замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой. На вход системы подают аналогичный входной сигнал x(t).
11. Определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования  осуществляя операции, описанные в пунктах 6 и 7 применительно к контролируемой системе.
12. Определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования от номинальных значений
13. Вычисляют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы по формуле
14. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправного блока (при n параметрах интегрирования) по формуле (3).
15. По минимуму значения диагностического признака определяют структурный дефект.
Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска дефектного блока для системы, структурная схема которой представлена на рисунке (см. фиг. Структурная схема объекта диагностирования).
1
1
2
2
3
3
Передаточные функции блока 1:  блока 2:  блока 3:  номинальные значения параметров: T=5 с; k=1; k=1; Т=1 с; k=1; T=3 с.
к
При моделировании в качестве входного сигнала будем использовать единичное ступенчатое воздействие. Время контроля Т выберем равным 10 с. Выберем два параметра интегрирования, кратные  и
1
1
2
1
2
3
3
1
Моделирование процессов поиска дефектов в первом блоке (в виде уменьшения параметра Т на 20%) приводит к вычислению диагностических признаков при двух параметрах интегрирования (α=0.1 и α=2.5) по формуле (3): J=0.0005, J=0.8258, J=0.1086. Различимость дефекта: ΔJ=J-J=0.108.
7
1
2
3
3
1
Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного блока при одном параметре интегрирования α=0.5 (Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе функции чувствительности: пат. 2680928 Рос. Федерация: МПК G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2018111888; заявл. 02.04.2018; опубл. 28.02.2019, Бюл. №7): J=0, J=0.78, J=0.074. Различимость дефекта ΔJ=J-J=0.074.
Приведенные результаты показывают, что фактическая различимость нахождения дефектов этим способом выше, следовательно, выше будет и помехоустойчивость способа.
2
1
2
1
2
3
3
2
Моделирование процессов поиска дефектов во втором блоке (в виде уменьшения параметра T на 20%) для данного объекта диагностирования при тех же параметрах α (α=0.1 и α=2.5) и при таком же входном сигнале дает следующие значения диагностических признаков: J=0.8372, J=0, J=0.7669. Различимость дефекта ΔJ=J-J=0.7669.
1
2
3
3
2
Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного блока при одном параметре интегрирования α=0.5: J=0.7829, J=0, J=0.746. Различимость дефекта: ΔJ=J-J=0.746.
3
1
2
3
1
3
Моделирование процессов поиска дефектов в третьем блоке (в виде уменьшения параметра T на 20%) для данного объекта диагностирования при тех же состояниях дает следующие значения: J=0.1177, J=0.7709, J=0. Различимость дефекта: ΔJ=J-J=0.1177.
1
2
3
1
3
Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного блока при одном параметре интегрирования α=0.5: J=0.07406, J=0.7471, J=0. Различимость дефекта ΔJ=J-J=0.07406.
Минимальное значение диагностического признака во всех случаях правильно указывает на дефектный блок, а способ многократного интегрирования улучшает фактическую различимость дефектов, следовательно, увеличивает помехоустойчивость диагностирования.