СПОСОБ ПОИСКА НЕИСПРАВНОГО БЛОКА В ДИСКРЕТНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ЗНАКОВ ПЕРЕДАЧ СИГНАЛОВ
METHOD OF SEARCHING FOR FAULTY UNIT IN DISCRETE DYNAMIC SYSTEM BASED ON ANALYSIS OF SIGNAL TRANSMISSION SIGNS

Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов.
7
Известен способ поиска неисправного блока в дискретной динамической системе (Способ поиска неисправного блока в дискретной динамической системе: пат. 2486570 Рос. Федерация: МПК G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2012120736/08; заявл. 18.05.2012; опубл. 27.06.2013, бюл. №18).
Недостатком этого способа является то, что он обеспечивает определение дефектов с невысокой различимостью, так как не использует многократного интегрирования сигналов.
7
Известен способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе (Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе: пат. 2486568 Рос. Федерация: МПК G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С. - №2012120458/08; заявл. 17.05.2012; опубл. 27.06.2013, бюл. №18).
Недостатком этого способа является то, что он обеспечивает определение дефектов только в непрерывной динамической системе.
7
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправного блока в дискретной динамической системе (Способ поиска неисправного блока в дискретной динамической системе: пат. 2486569 Рос. Федерация: МПК G05B 23/02 (2006.01) / Воронин В.В., Шалобанов С.С. - №2012120459/08; заявл. 17.05.2012; опубл. 27.06.2013, бюл. №18).
Недостатком этого способа являются большие вычислительные затраты, так как он использует несколько моделей с пробными отклонениями параметров передаточных функций блоков.
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является уменьшение вычислительных затрат, связанных с реализацией пробных отклонений параметров модели для поиска дефектов в дискретной динамической системе с использованием многократного интегрирования для повышения различимости дефектов.
j ном
s
k
k
s
Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной дискретной во времени системы f(t), j=1, …, k для N дискретных тактов регистрации сигнала t∈[1,N] с дискретным постоянным шагом T на интервале наблюдения [0,T] (где T=T·N) в k контрольных точках и многократно определяют (одновременно) интегральные оценки выходных сигналов
l
s
s
s
S
K
j ном
l
ji
ji
ji
дискретной системы для n значений параметра дискретного интегрирования α, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход дискретной системы с номинальными характеристиками одновременно начинают дискретное интегрирование сигналов системы управления с шагом T секунд для n параметров интегрирования в каждой из k контрольных точек с весами  с шагом T секунд, путем подачи на первые входы k·n блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают дискретные экспоненциальные сигналы  с шагом T секунд для n блоков дискретного интегрирования, выходные сигналы k·n блоков перемножения подают на входы k·n блоков дискретного интегрирования с шагом T секунд, интегрирование завершают в момент времени T, полученные в результате дискретного интегрирования оценки выходных сигналов F(α), j=1, …, k; i=1, …, n регистрируют, фиксируют число m рассматриваемых одиночных дефектов блоков, определяют элементы знаков передач сигналов каждого блока, входящего в состав системы для каждой контрольной точки P, j=1, …, k; i=1, …, m, элементы P определяют из множества значений {-1, 0, 1}, значение -1 определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отрицательный, значение 0 определяют, если передача сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отсутствует, значение 1 определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки положительный. Элементы знаков передач сигналов P используют в заявляемом способе вместо изменений интегральных оценок сигналов модели для всех контрольных точек, полученных для пробных отклонений параметров блоков. Затем определяют нормированные значения вектора знаков передач сигналов для каждого блока из соотношения
,
l
j
l
j
l
j
l
j ном
l
замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки сигналов контролируемой дискретной системы для к контрольных точек и для n параметров дискретного интегрирования α: F(α), j=1, …, k; i=1, …, n, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек и n параметров дискретного интегрирования от номинальных значений ΔF(α)=F(α)-F(α), j=1, …, k=1, …, n, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой дискретной системы для n параметров дискретного интегрирования из соотношения
,
определяют диагностические признаки при n параметрах дискретного интегрирования из соотношения
,
по минимуму значения диагностического признака определяют неисправный блок.
Таким образом, предлагаемый способ поиска неисправного блока сводится к выполнению следующих операций:
s
1. В качестве дискретной динамической системы рассматривают систему, например, с дискретной интерполяцией нулевого порядка, с шагом дискретизации T, состоящую из произвольно соединенных динамических блоков, с количеством рассматриваемых одиночных дефектов блоков m.
K
ПП
ПП
2. Предварительно определяют время контроля T≥T, где T - время переходного процесса дискретной 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.
ji
ji
5. Предварительно определяют элементы знаков передач сигналов каждого блока, входящего в состав системы для каждой контрольной точки P, j=1, …, k; i=1, …, m, элементы P определяют из множества значений {-1, 0, 1}, значение -1 определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отрицательный, значение 0 определяют, если передача сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отсутствует, значение 1 определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки положительный.
6. Определяют нормированные значения элементов вектора знаков передач сигналов для каждого блока из соотношения
.
7. 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
s
k
k
s
8. Регистрируют реакцию системы f(t), j=1, …, k на интервале t∈[1,N] с дискретным шагом T секунд на интервале наблюдения [0,T] (где T=T·N) в k контрольных точках и определяют дискретные интегральные оценки выходных сигналов
s
l
s
s
K
j ном
l
дискретной системы. Для этого в момент подачи тестового сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают дискретное интегрирование сигналов системы управления с шагом T секунд в каждой из k контрольных точек и n параметрах α с дискретными весами , для чего сигналы системы управления подают на первые входы k·n блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают дискретные экспоненциальные сигналы  с шагом T секунд, выходные сигналы k·n блоков перемножения подают на входы k·n блоков дискретного интегрирования с шагом T секунд, дискретное интегрирование завершают в момент времени T, полученные в результате дискретного интегрирования оценки выходных сигналов F(α), j=1, …, k; l=1, …, n регистрируют.
9. Замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой. На вход системы подают аналогичный тестовый сигнал.
10. Определяют интегральные оценки сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования
,
осуществляя операции, описанные в пунктах 7 и 8 применительно к контролируемой системе.
j
l
j
l
j ном
1
11. Определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования от номинальных значений ΔF(α)=F(α)-F(α), j=1, …, k; l=1, …, n.
12. Вычисляют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой дискретной системы по формуле
13. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправного блока (при n параметрах интегрирования) по формуле
14. По минимуму значения диагностического признака определяют дефектный блок.
Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска дефекта для дискретной системы, структурная схема которой представлена на рисунке (см. фиг. Структурная схема объекта диагностирования).
Дискретные передаточные функции блоков:
; ; ,
1
1
2
2
3
3
номинальные значения параметров: k=5; Z=0.98; k=0.09516; Q=0.9048; k=0.0198; Q=0.9802.
11
21
31
1
Определим элементы матрицы знаков передач сигналов. Знак передачи сигнала от выхода первого блока до первой контрольной точки положителен, поэтому P=1, знак передачи сигнала от выхода первого блока до второй контрольной точки положителен, поэтому P=1, знак передачи сигнала от выхода первого блока до третьей контрольной точки положителен, поэтому P=1/ Вектор знаков передач сигналов первого блока будет иметь вид: P=(1, 1, 1).
2
3
Для второго блока знак передачи сигнала от его выхода до первой контрольной точки отрицателен, а для второй и третьей контрольных точек - положителен, поэтому вектор знаков передач сигналов для второго блока будет иметь вид: P=(-1, 1, 1). Для третьего блока вектор знаков передач сигналов будет иметь вид: P=(-1 -1, 1).
1
1
2
3
K
1
2
3
3
1
При поиске одиночного структурного дефекта в виде отклонения коэффициента усиления на 20% (k=4) в первом звене, при подаче ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегральных оценок сигналов для параметров α=0.5, α=0.1, α=2.5 и T=10 с, при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков, получены значения диагностических признаков: J=0.2053; J=0.9719; J=0.5629. Разность между третьим и первым диагностическим признаком может характеризовать апостериорную (практическую) различимость дефекта: ΔJ=J-J=0.3576.
2
1
2
3
3
2
Моделирование процессов поиска дефектов во втором блоке (в виде уменьшения параметра k на 20%) приводит к значениям диагностических признаков при тех же параметрах диагностирования: J=0.9277; J=0.3377; J=0.8682. Различимость дефекта: ΔJ=J-J=0.5305.
3
1
2
3
1
3
Моделирование процессов поиска дефектов в третьем блоке (в виде уменьшения параметра k на 20%) приводит к значениям диагностических признаков при тех же параметрах диагностирования: J=0.4715; J=0.9396; J=0.2686. ΔJ=J-J=0.2029.
Минимальное значение диагностического признака во всех случаях правильно указывает на дефектный блок.