СПОСОБ ПОИСКА НЕИСПРАВНОСТЕЙ БЛОКОВ В НЕПРЕРЫВНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
METHOD OF DETECTING FAULTS IN UNITS IN CONTINUOUS DYNAMIC SYSTEM

Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов.
6
Известен способ диагностирования динамических звеньев систем управления (патент РФ №2429518 по заявке №2010128421/08(040385), МКИ G05B 23/02, 2011).
Недостатком этого способа является то, что он обеспечивает определение только одиночных параметрических дефектов и обладает невысокой различимостью дефектов, то есть низкой помехоустойчивостью.
6
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство для контроля параметров звеньев систем управления (патент РФ №2173873, МКИ G05B 23/02, 2001).
Недостатком этого способа и устройства является то, что они применимы только для диагностирования апериодического первого порядка, апериодического второго порядка и колебательного звеньев, а также то, что он обеспечивает определение только одиночных параметрических дефектов и применим только для контроля одиночных параметров.
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является улучшение помехоустойчивости способа поиска параметрических дефектов в непрерывных системах автоматического управления путем улучшения различимости дефектов и расширение функциональных возможностей способа для нахождения одного или сразу нескольких отклонений параметров (кратных дефектов) передаточных функций блоков произвольной структуры в динамической системе с произвольным соединением блоков, а также уменьшение вычислительных затрат, связанных с вычислением диагностического признака.
j ном
l
1
K
ji
l
ji
l
ji
l
j ном
l
j
l
l
l
l
l
Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной системы F(t), j=1, …, k; =1, …, n на интервале t∈[0,T] в k контрольных точках при n дискретных моментах времени на входное воздействие x(t), определяют выходные сигналы модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений m рассматриваемых одиночных и кратных параметрических дефектов блоков, для чего поочередно в каждый параметр или комбинацию нескольких параметров передаточной функции всех блоков динамической системы вводят пробное отклонение и находят выходные сигналы системы для того же входного воздействия x(t), полученные в результате выходные сигналы для каждой из k контрольных точек и каждого из m пробных отклонений в n дискретные моменты времени P(t), j=1, …, k; i=1, …, m; =1, …, n регистрируют, определяют отклонения сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений соответствующих параметров и комбинаций нескольких параметров всех структурных блоков от реакции заведомо исправной системы ΔP(t)=P(t)-F(t), j=1, …, k; i=1, …, m; =1, …, n, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют сигналы контролируемой системы для k контрольных точек в n дискретные моменты времени F(t), j=1, …, k; =1, …, n, определяют отклонения сигналов контролируемой системы для к контрольных точек в n дискретные моменты времени от номинальных значений
j
l
j
l
j ном
l
ΔF(t)=F(t)-F(t), j=1, …, k; l=1, …, n,
определяют диагностические признаки для каждого из m параметров и комбинаций параметров из соотношения
по максимуму значения диагностического признака определяют неисправный параметр либо комбинацию параметров.
Выражение (1) можно представить в виде:
Диагностические признаки (2) лежат в фиксированном интервале значений [0, 1], поэтому различимость двух кратных параметрических дефектов может оцениваться как разность значений соответствующих признаков.
Графическая интерпретация диагностического признака заключается в следующем: поскольку в квадратных скобках выражения (2) записано скалярное произведение двух векторов единичной длины размерностью k*n (k - число контрольных точек, n - число дискретних значений времени), то выражение в квадратных скобках есть косинус угла между этими векторами, следовательно, выражение (2) можно заменить выражением:
i
i
2
J=cosφ,
i
где φ - угол между вектором единичной длины отклонений сигналов объекта диагностирования от номинальных и вектором единичной длины отклонений от номинальных сигналов модели с i-м пробным изменением параметра либо комбинации параметров.
Фактическая различимость i-го одиночного либо кратного параметрического дефекта определяется по формуле:
i
i
k
ΔJ=J-J,
i
k
где J - максимальное значение признака (значение признака i-го присутствующего в объекте одиночного либо кратного параметрического дефекта), J - значение ближайшего к нему по величине признака.
6
6
Поскольку заявляемый способ предполагает вычисление большого количества диагностических признаков, которое определяется количеством всех рассматриваемых комбинаций параметров, то даже незначительное уменьшение вычислительных затрат при определении признака по формуле (1) приводит к существенному снижению аппаратных или программных затрат на диагностирование. При замене диагностических признаков (патент РФ №2429518 по заявке №2010128421/08(040385), МКИ G05B 23/02, 2011), указывающих на дефекты своими минимальными значениями признака на диагностические признаки в заявляемом способе, указывающие на дефекты своими максимальными значениями, получаем экономию на одно вычитание при вычислении одного признака (формула (3) в патенте РФ №2429518 по заявке №2010128421/08(040385), МКИ G05B 23/02, 2011 и формула (2) в заявляемом способе).
Покажем, что данный способ позволяет находить кратные дефекты не только с глубиной до структурного блока, но еще и с глубиной до параметра соответствующего блока.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.
Способ основан на использовании пробных отклонений параметров модели непрерывной динамической системы.
Пробное отклонение параметра, максимизирующее значение диагностического признака (1) или (2), указывает на наличие дефекта в этом параметре или комбинации параметров. Область возможных значений диагностического признака лежит в интервале [0, 1].
Предлагаемый способ поиска неисправностей сводится к выполнению следующих операций:
1. В качестве динамической системы рассматривают систему, состоящую из произвольно соединенных динамических элементов, передаточные функции которых в сумме содержат m одиночных параметров и всех возможных комбинаций параметров.
K
ПП
ПП
2. Предварительно определяют время контроля T≥Т, где Т - время переходного процесса системы. Время переходного процесса оценивают для номинальных значений параметров динамической системы.
3. Фиксируют число контрольных точек k.
i
l
4. Предварительно определяют векторы ΔP(t) отклонений сигналов модели в l-е дискретные моменты времени, полученные в результате i-го пробного отклонения параметра или комбинации параметров каждого из m пробных отклонений, для чего выполняют пункты 5-8.
5. 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
l
l
K
6. Регистрируют реакцию системы с номинальными характеристиками F(t), j=1, …, k; l=1, …, n на интервале t∈[0,T] в k контрольных точках для n дискретных моментов времени.
ji
l
7. Определяют сигналы модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений каждого из m параметров и комбинаций параметров блоков для n дискретных моментов времени, для чего поочередно для каждого параметра и комбинации параметров блоков динамической системы вводят пробное отклонение этого параметра либо комбинации параметров передаточной функции и выполняют пункты 5 и 6 для одного и того же тестового сигнала x(t). Полученные в результате выходные сигналы для каждой из k контрольных точек и каждого из m пробных отклонений при n моментах времени P(t), j=1,…,k; i=1,…,m; l=1,…,n регистрируют.
ji
l
ji
l
j ном
l
8. Определяют отклонения сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков ΔP(t)=P(t)-F(t), j=1, …, k; i=1, …, m; l=1, …, n.
9. Замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой. На вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t).
j
l
10. Определяют сигналы контролируемой системы для k контрольных точек и n моментов времени F(t), j=1, …, k; l=1, …, n, осуществляя операции, описанные в пунктах 5 и 6 применительно к контролируемой системе.
11. Определяют отклонения сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n моментов времени от номинальных значений
j
l
j
l
j ном
l
ΔF(t)=F(t)-F(t), j=1, …, k; l=1, …, n.
12. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправного параметра либо комбинации параметров по формуле (1) или (2).
13. По максимуму значения диагностического признака определяют кратный параметрический дефект.
Поскольку диагностические признаки (1) и (2) имеют область возможных значений, ограниченную интервалом [0, 1], то разность между максимальным признаком (который указывает на кратный параметрический дефект) и ближайшим к максимальному признаку количественно характеризует различимость данного дефекта с учетом расположения параметров блоков на структурной схеме, вида и параметров передаточных функций блоков и всех условий диагностирования, при которых получены эти значения диагностических признаков (вид тестового сигнала, количество и расположение контрольных точек, количество и величина дискретных моментов времени контроля). Наилучшая различимость - когда указанная разность равна единице (в терминах векторной интерпретации нормированные векторы отклонений сигналов соответствующих этим одиночным параметрам либо комбинации параметров для пробных отклонений ортогональны). Наихудшая различимость - когда указанная разность равна нулю (в терминах векторной интерпретации нормированные векторы отклонений сигналов соответствующих этим параметрам для пробных отклонений коллинеарные). Поэтому применение нормированных диагностических признаков позволяет сравнивать результаты диагностирования для выбора оптимальных режимов поиска дефектов.
Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска кратного параметрического дефекта для системы, структурная схема которой представлена на рисунке (см. фиг. Структурная схема объекта диагностирования).
Передаточные функции блоков:
1
1
2
2
3
3
1
3
1
3
номинальные значения параметров: T=5 с; K=1; К=1; Т=1 с; К=1; Т=5 с. Определим варианты (m=63) пробных отклонений в виде одиночного уменьшения или комбинационного уменьшения коэффициентов усиления (k, …, k) и постоянных времени (T, …, T) всех блоков на 10%:
1
2
3
1
2
3
к
При поиске кратного дефекта в виде отклонения коэффициентов усиления на 20%: k=0.8, k=0.8 и k=0.8 и в виде отклонения постоянных времени на 20%: T=4 с, Т=0.8 с и Т=4 с (кратный дефект №63) в первом, втором и третьем звене, при подаче ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и времени контроля Т=10 с, при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков, используя пробные отклонения величиной 10%, получены значения диагностических признаков по формуле (1):
Следует отметить, что способ работоспособен и при больших значениях величин пробных отклонений параметров (10-40%). Ограничением на величину пробного отклонения является необходимость сохранения устойчивости моделей с пробными отклонениями.
63
i
Максимальное значение диагностического признака J=0.99 правильно указывает на комбинацию единовременных параметрических дефектов с различимостью: ΔJ=0.0214 (2.14%).