Результат интеллектуальной деятельности: Способ поиска топологического дефекта в непрерывной динамической системе на основе функции чувствительности

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

Известен способ поиска неисправностей динамического блока в непрерывной системе (Способ поиска неисправностей динамического блока в непрерывной системе: пат. 2429518 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С. - №2010128421/08; заявл. 08.07.2010; опубл. 20.09.2011, Бюл. №26).

Недостатком этого способа является то, что он позволяет находить только неисправности в виде отклонений параметров передаточной функции системы.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправностей в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений (Способ поиска неисправностей в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений: пат. 2541857 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С. - №2013149468/08; заявл. 06.11.2013; опубл. 16.01.2015, Бюл. №5).

Недостатком этого способа является то, что он использует имитацию изменений межблочных связей блоков диагностируемой системы в моделях с пробными отклонениями.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является уменьшение вычислительных затрат, связанных с реализацией моделей с пробными отклонениями.

Поставленная задача достигается тем, что регистрируют реакцию заведомо исправной системы f_jном(t), j=1, …, k на интервале t∈[0, Т_K] в k контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1, …, k системы, 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 , где , путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал , 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_jном(α), j=1, …, k регистрируют, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате использования топологической функции чувствительности, для чего поочередно для каждой из m возможных топологических связей динамической системы соединяют две модели топологической связью: на вход первой модели подают тестовый сигнал x(t), выходом первой модели фиксируют выход блока, к которому подключена рассматриваемая топологическая связь, соединяют выход первой модели со входом второй, входом второй модели фиксируют вход блока, к которому подключена рассматриваемая топологическая связь, снимают выходные сигналы после каждого блока второй модели и находят интегральные оценки выходных сигналов второй модели для параметра α и входного сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждой из m совмещенных моделей с топологической функцией чувствительности V_ji(α) j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют, определяют нормированные значения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате совмещенных моделей с соответствующей топологической связью из соотношения, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный входной сигнал x(t), определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(α), j=1, …, k для параметра α, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_jном(α), j=1, …, k, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы из соотношения, определяют диагностические признаки из соотношения , i=1, …, m, по минимуму диагностического признака определяют топологический дефект.

Таким образом, предлагаемый способ поиска неисправной топологической связи блоков сводится к выполнению следующих операций:

1. В качестве динамической системы рассматривают систему, состоящую из произвольно соединенных динамических блоков, с количеством рассматриваемых изменений топологических связей блоков m.

2. Предварительно определяют время контроля T_К≥T_ПП, где T_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 нормированные векторы интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате функций чувствительности i-й межблочной связи каждой из m топологических связей всех блоков, для чего выполняют пункты 6-9.

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.

7. Регистрируют реакцию системы f_jном(t), j=1, …, k на интервале t∈[0, T_K] в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1, …, 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 , где , для чего сигналы системы управления подают на первые входы k блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал , выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени T_К, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1, …, k регистрируют.

8. Определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате использования топологической функции чувствительности, для чего поочередно для каждой из m топологических связей блоков динамической системы соединяют топологической связью две модели: на вход первой модели подают тестовый сигнал x(t), выходом первой модели фиксируют выход блока, к которому подключена рассматриваемая топологическая связь, соединяют выход первой модели со входом второй, входом второй модели фиксируют вход блока, к которому подключена рассматриваемая топологическая связь, снимают выходные сигналы после каждого блока второй модели, полученные выходные сигналы для каждой из k контрольных точек и каждой из m совмещенных моделей с топологической функцией чувствительности V_ji(α), j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют.

9. Определяют нормированные значения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате использования топологической функции чувствительности соответствующих межблочных связей по формуле .

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

11. Определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(α), j=1, …, k, 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 от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_jном(α), j=1, …, k.

13. Вычисляют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы по формуле .

14. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправной топологической связи блоков по формуле .

15. По минимуму значения диагностического признака определяют топологический дефект.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска топологического дефекта для системы, структурная схема которой представлена на чертеже (Структурная схема объекта диагностирования).

Передаточные функции блоков:

,

номинальные значения параметров: Т₁=5 с; k₁=1; k₂=1; Т₂=1 с; k₃=1; Т₃=5 с. При поиске топологического дефекта в виде обрыва связи между первым и вторым звеньями (дефект №1), путем подачи ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегрального преобразования сигналов для параметра α=0.5 и Т_К=10 с получены значения диагностических признаков на основе функции чувствительности при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J₁=0; J₂=0.7536 (обрыв связи между вторым и третьим блоками); J₃=0.7892 (обрыв связи между третьим и первым блоками). Минимальное значение признака J₁ однозначно указывает на обрыв топологической связи между первым и вторым блоками.

Для сравнения приведем диагностические признаки наличия топологического дефекта в виде обрыва связи между первым и вторым звеньями (дефект №1) при тех же диагностических параметрах, полученные на основе пробных отклонений состояний топологической связи как в прототипе (Способ поиска неисправностей в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений: пат. 2541857 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С. - №2013149468/08; заявл. 06.11.2013; опубл. 16.01.2015, Бюл. №5): J₁=0; J₂=0.7499 (обрыв связи между вторым и третьим блоками); J₃=0.7847 (обрыв связи между третьим и первым блоками).

Моделирование процессов поиска топологических дефектов связей между вторым и третьим, а также третьим и первым блоками для данного объекта диагностирования при тех же диагностических параметрах дает следующие значения диагностических признаков:

При наличии дефекта в виде обрыва топологической связи между вторым и третьим блоками методом функции топологической чувствительности: J₁=0.7433; J₂=0; J₃=0.07391. Для сравнения приведем диагностические признаки наличия топологического дефекта в виде обрыва связи между вторым и третьим звеньями (дефект №2), полученные на основе пробных отклонений состояний топологической связи, как в прототипе: J₁=0.7499; J₂=0; J₃=0.07035.

При наличии дефекта в виде обрыва топологической связи между третьим и первым блоками методом функции топологической чувствительности: J₁=0.7783; J₂=0.0695; J₃=0. Для сравнения приведем диагностические признаки наличия топологического дефекта в виде обрыва связи между третьим и первым звеньями (дефект №3), полученные на основе пробных отклонений состояний топологической связи, как в прототипе: J₁=0.7847; J₂=0.07035; J₃=0.

Минимальное значение диагностического признака во всех случаях правильно указывает на наличие топологического дефекта.