способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе

Формула изобретения

Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе, основанный на том, что фиксируют число блоков m, входящих в состав системы, определяют время контроля Т_K Т_ПП, где Т_ПП - время переходного процесса системы, определяют параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения используют тестовый сигнал на интервале t [0,T_K], в качестве динамических характеристик системы используют интегральные оценки сигналов, полученные для вещественных значений переменной Лапласа, фиксируют число k контрольных точек системы, регистрируют реакцию объекта диагностирования и реакцию заведомо исправной системы f_{j ном}(t), j=1, 2, , k на интервале t [0,Т_K] в k контрольных точках, определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}( ), j=1, , k исправной системы, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами е^{- t}, где путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал е^{- t}, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_K, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}( ), j=1, , k регистрируют, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j( ), j=1, , k для параметра , определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений F_j( )=F_j( )-F_jном( ), j=1, , k, определяют элементы топологических связей каждого блока, входящего в состав системы для каждой контрольной точки P_ji, j=1, , k; i=1, , m, элементы P_ji 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, отличающийся тем, что определяют знаки отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений sign(( F_j( )), j=1, 2, , k, производят операцию попарного сравнения элементов вектора топологических связей i-го блока P_ji, j=1, 2, , k; i=1, 2, , m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(( F_j( )), j=1, 2, , k по формуле: производят операцию попарного сравнения элементов инверсии вектора топологических связей i-го блока in (P_ji), j=1, 2, , k; i=1, 2, , m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(( F_j( )), j=1, 2, , k no формуле: производят вычисление бинарных диагностических признаков из соотношения: по единичному значению бинарного диагностического признака определяют структурный блок с дефектом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов.

Известен способ поиска неисправного блока в динамической системе (Положительное решение от 12.07.2010 г. о выдаче патента на изобретение по заявке № 2009123999/08 (033242), МКИ 6 G05B 23/02, 2010), основанный на пробных отклонениях параметров передаточных функций модели.

Недостатком этого способа является то, что он использует несколько моделей с пробными отклонениями параметров передаточных функций блоков.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе (Положительное решение от 22.07.2011 г. о выдаче патента на изобретение по заявке № 2011100409/08 (000540), МКИ⁶ G05B 23/02, 2011).

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.

Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной системы f_{j ном}(t), j=1, 2, , k на интервале t [0, T_K] в контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}( ), j=1, 2, , k системы, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами e^{- t}, где , путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал e^{- t}, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}( ), j=1, 2, , k регистрируют, фиксируют число m блоков системы, определяют элементы топологических связей каждого блока, входящего в состав системы для каждой контрольной точки P_ji, j=1, 2, , k; i=1, 2, , m, элементы P_ji 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.

Затем замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j( ), j=1, 2, , k для параметра интегрирования , определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений F_j( )=F_j( )-F_{j ном}( ), j=1, 2, , k.

Определяют знаки отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений sign( F_j( )), j=1, 2, , k.

Затем производят операцию попарного сравнения элементов вектора топологических связей i-го блока P_ji, j=1, 2, , k; i=1, 2, , m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign( F_j( )), j=1, 2, , k по формуле:

Поскольку операция есть операция эквивалентности, то выражение (1) принимает значение 1 только в том случае, когда все элементы векторов P _ji, j=1, 2, , k и sign( F_j( )), j=1, 2, , k для каждой контрольной точки попарно равны.

Затем производят операцию попарного сравнения элементов инверсии вектора топологических связей i-го блока in (P_ji), j=1, 2, , k; i=1, 2, , m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign( F_j( )), j=1, 2, , k по формуле:

Поскольку операция есть операция эквивалентности, то выражение (2) принимает значение 1 только в том случае, когда все элементы векторов in (P_ji), j=1, 2, , k и sign( F_j( )), j=1, 2, , 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 сигналов совпадают с элементами вектора топологических связей, второе слагаемое формулы (3) принимает значение 1, если знаки отклонений интегральных оценок сигналов совпадают с инвертированными элементами вектора топологических связей. Инверсия вектора топологических связей 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.

2. Предварительно определяют время контроля Т_К Т_ПП, где Т_ПП - 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.

5. Предварительно определяют элементы топологических связей каждого блока, входящего в состав системы для каждой контрольной точки P_ji, j=1, 2, , k; i=1, 2, , m, элементы P_ji 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. 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.

7. Регистрируют реакцию системы f_{j ном} (t), j=1, 2, , k на интервале t [0, Т_К] в контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов

F_jном( ), j=1, 2, , k системы. Для этого в момент подачи тестового сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами e^{- t}, где , для чего сигналы системы управления подают на первые входы k блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал e^{- t}, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}( ), j=1, 2, , k регистрируют.

8. Замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой. На вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t).

9. Определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j( ), j=1, 2, , k, осуществляя операции, описанные в пунктах 6 и 7 применительно к контролируемой системе.

10. Определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений F_j( )=F_j( )-F_{j ном}( ), j=1, 2, , k.

11. Определяют знаки отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы для контрольных точек от номинальных значений sign( F_j( )), j=1, 2, , k.

12. Производят операцию попарного сравнения элементов вектора топологических связей i-го блока P_ji , j=1, 2, , k; i=1, 2, , m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign( F_j( )), j=1, 2, , k по формуле:

13. Производят операцию попарного сравнения элементов инверсии вектора топологических связей i-го блока in (P_ji), j=1, 2, , k; i=1, 2, , m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign( F_j( )), j=1, 2, , k по формуле:

14. Производят вычисление бинарных диагностических признаков из соотношения:

15. По единичному значению бинарного диагностического признака определяют структурный блок с дефектом.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска дефекта для системы, структурная схема которой представлена на чертеже.

Передаточные функции блоков:

; ; ,

номинальные значения параметров: K ₁=1; Т₁=5 с; K₂=1; Т₂=1 с; K₃=1; Т₃=5 с.

Определим элементы топологических связей каждого блока, входящего в состав системы для каждой контрольной точки P_ji, j=1, 2, 3; i=1, 2, 3, знак передачи сигнала от выхода первого блока до первой контрольной точки положителен, поэтому Р₁₁=1, знак передачи сигнала от выхода первого блока до второй контрольной точки положителен, поэтому P₂₁=1, знак передачи сигнала от выхода первого блока до третьей контрольной точки положителен, поэтому P₃₁=1, таким образом, вектор топологических связей первого блока будет иметь вид: Р₁=(1,1,1). Для второго блока знак передачи сигнала от его выхода до первой контрольной точки отрицателен, а для второй и третьей контрольных точек - положителен, поэтому вектор топологических связей для второго блока будет иметь вид: Р₂=(-1,1,1). Для третьего блока вектор топологических связей будет иметь вид: P₃ =(-1,-1,1).

При поиске одиночного дефекта в виде отклонения постоянной времени T₁=4 с (дефект № 1) в первом звене путем подачи ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегральных оценок сигналов для параметра =0.5 и Т_к=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: J₁=1; J₂=0; J₃=0.

Моделирование процессов поиска дефектов во втором и третьем блоках для данного объекта диагностирования при том же параметре интегрирования и при единичном ступенчатом входном сигнале дает следующие значения бинарных указателей:

При наличии дефекта в блоке № 2 (в виде уменьшения параметра Т₂ на 20%, дефект № 2): J₁=0; J₂=1; J₃=0.

При наличии дефекта в блоке № 3 (в виде уменьшения параметра Т₃ на 20%, дефект № 3): J₁=0; J₂=0; J₃=1.

Единичное значение бинарного диагностического признака во всех случаях правильно определяет дефектный блок.