Способ поиска топологического дефекта в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений

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 обеспечивает определение дефектов с невысокой различимостью, то есть обладает невысокой помехоустойчивостью.

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 α₁, α₂…α_n.

Поставленная задача достигается тем, что регистрируют реакцию заведомо исправной системы ƒ_{j ном}(t), j=1,…,k на интервале t∈[0, Т_К] в k контрольных точках, и многократно определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(α_l), j=1,…, k; l=1,…, n системы для n значений параметра интегрирования α_l, для чего в момент подачи входного сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления для n параметров интегрирования в каждой из k контрольных точек с весами , где 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 Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}(α_l), j=1,…, k; l=1,…, n и регистрируют, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек и n параметров интегрирования, полученные в результате введения пробных отклонений топологических состояний каждой из m контролируемых связей (удаляется существующая межблочная связь или вводится новая межблочная связь), для чего поочередно для каждой контролируемой топологической связи динамических блоков системы вводят пробное отклонение состояния топологической связи и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для n параметров α_l и входного сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек, каждого из m пробных отклонений и каждого из n параметров интегрирования P_ji(α_l), j=1,…, k; i=1,…,m; l=1,…,n регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений состояний соответствующих топологических связей блоков динамической системы ΔP_ji(α_l)=P_ji(α_l)-F_{j ном}(α_l), j=1,…, k; i=1,…, m; l=1,…, n, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений состояний соответствующих топологических связей 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 F_j(α_l), j=1,…, k; l=1,…, n для n параметров интегрирования α_l, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования от номинальных значений ΔF_j(α_l)=F_j(α_l)-F_{j ном}(α_l), j=1,…, k; l=1,…, n определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для n параметров интегрирования из соотношения определяют диагностические признаки при n параметрах интегрирования из соотношения:

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 Т_К≥Т_ПП, где Т_ПП - время переходного процесса системы. Время переходного процесса оценивают для номинальных значений параметров динамической системы.

3. Определяют n параметров, кратных 5/T_k, многократного интегрирования сигналов.

4. Фиксируют число контрольных точек k.

5. Предварительно определяют нормированные векторы отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений состояний топологических связей блоков каждой из m топологических связей блоков для номинальных состояний топологических связей блоков и n определенных выше параметров α_l, 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.

7. Регистрируют реакцию системы ƒ_{j ном}(t), j=1,…, k на интервале t∈[0, Т_К] в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(α_l), j=1,…, k; l=1,…,n системы. Для этого в момент подачи тестового сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование (при n параметрах α_l) сигналов системы управления в каждой из к 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_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}(α_l), j=1,…, k; l=1,…, n регистрируют.

8. Определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек и каждого из n значений параметра интегрирования α_l, полученные в результате каждого из m пробных отклонений состояний топологических связей, для чего поочередно изменяют состояние каждой топологической связи блоков динамической системы (например, из состояния «есть связь» в состояние «нет связи» или наоборот) 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, каждого из m пробных отклонений и каждого из n параметров интегрирования P_ji(α_l), j=1,…, k; i=1,…,m; l=1,…,n регистрируют.

9. Определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений состояний топологических связей блоков динамической системы ΔP_ji(α_l)=P_ji(α_l)-F_{j ном}(α_l), j=1,…, k; i=1,…,m; l=1,…,n

10. Определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений состояний соответствующих топологических связей блоков по формуле

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

12. Определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования F_{j ном}(α_l), j=1,…,k; l=1,…,n, осуществляя операции, описанные в пунктах 6 и 7 применительно к контролируемой системе.

13. Определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования от номинальных значений ΔF_j(α_l)=F_j(α_l)-F_{j ном}(α_l), j=1,…,k; l=1,…,n.

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

15. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправности (при n параметрах интегрирования) по формуле

16. По минимуму значения диагностического признака определяют топологический дефект.

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

Передаточные функции блоков:

номинальные значения параметров: T₁=5 с; k₁=l; k₂=1; Т₂=1 с; k₃=1; Т₃=5 с. При поиске топологического дефекта в виде обрыва или появления связи между структурными блоками, путем подачи ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегрального преобразования сигналов для параметров α₁=0.5, α₂=0.1 и α₃=2.5, а также времени контроля Т_к=10 с получены значения диагностических признаков на основе пробных отклонений состояний топологической связи при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков.

Моделирование процессов поиска топологического дефекта в виде обрыва связи между первым и вторым блоками приводит к вычислению диагностических признаков при трех параметрах интегрирования (α₁=0.5, α₂=0.1 и α₃=2.5) по формуле (1): J₁=0, J₂=0.7795 (обрыв связи между вторым и третьим блоком), J₃=0.8141 (обрыв связи между третьим и первым блоком). Различимость дефекта: ΔJ=J₂-J₁=0.7795.

Для сравнения приведем диагностические признаки наличия топологического дефекта между первым и вторым блоками при одном параметре интегрирования α=0.5 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, J₃=0.7847. Различимость дефекта ΔJ= J₂-J₁=0.7499.

Приведенные результаты показывают, что фактическая различимость нахождения дефектов этим способом выше, следовательно, выше будет и помехоустойчивость способа.

Моделирование процессов поиска топологического дефекта в виде обрыва связи между вторым и третьим блоками приводит к вычислению диагностических признаков при трех параметрах интегрирования (α₁=0.5, α₂=0.1 и α₃=2.5) по формуле (1): J₁=0.7795 (обрыв связи между первым и вторым блоком), J₂=0, J₃=0.07359 (обрыв связи между третьим и первым блоком). Различимость дефекта: ΔJ=J₃-J₂=0.07359.

Для сравнения приведем диагностические признаки наличия топологического дефекта между вторым и третьим блоками при одном параметре интегрирования α=0.5 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=0.7499, J₂=0, J₃=0.0704. Различимость дефекта Δ=J₃-J₂=0.0704.

Моделирование процессов поиска топологического дефекта в виде обрыва связи между третьим и первым блоками приводит к вычислению диагностических признаков при трех параметрах интегрирования (α₁=0.5, α₂=0.1 и α₃=2.5) по формуле (1): J₁=0.8141 (обрыв связи между первым и вторым блоком), J₂=0.07359 (обрыв связи между вторым и третьим блоком), J₃=0. Различимость дефекта: ΔJ=J₂-J₃=0.07359.

Для сравнения приведем диагностические признаки наличия топологического дефекта между третьим и первым блоками при одном параметре интегрирования α=0.5 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=0.7847, J₂=0.0704, J₃=0. Различимость дефекта ΔJ=J₂-J₃=0.0704.

Минимальное значение диагностического признака во всех случаях правильно указывает на дефектный блок, а способ многократного интегрирования улучшает фактическую различимость дефектов, следовательно, увеличивает помехоустойчивость диагностирования.