Результат интеллектуальной деятельности: Способ поиска неисправностей 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 неисправного блока в динамической системе (Способ поиска неисправного блока в динамической системе: пат.2435189, Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2009123999/08; заявл. 23.06.2009; опубл. 27.11.2011. Бюл. №33).

Недостатком этого способа является то, что он позволяет находить только неисправности в виде изменения передаточных функций отдельных блоков (подсистем) всей 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. 20.02.2015, Бюл. №5).

Недостатком этого способа является то, что он позволяет находить только неисправности в виде изменения топологических связей, то есть обрыва или появления новых межблочных связей.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является расширение функциональных возможностей способа, связанных с поиском не только топологических дефектов (дефектов, приводящих к обрыву или появлению новых межблочных связей), так и структурных дефектов (неисправностей в виде изменения передаточных функций отдельных блоков (подсистем) всей системы), а также кратных дефектов (различных комбинаций структурных и топологических дефектов системы).

Поставленная задача достигается тем, что регистрируют реакцию заведомо исправной системы ƒ_{j ном}(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 e^-αt, где путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал e^-αt, 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 введения пробных отклонений каждой из m возможных комбинаций структурных и топологических состояний (добавляется дефект/дефекты в структурный блок/блоки и/или удаляется существующая межблочная связь/связи либо вводится новая межблочная связь/связи), для чего поочередно для каждой возможной комбинации динамических блоков и топологических связей системы вводят пробные отклонения параметров структурных блоков и/или состояний топологических связей и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра α и входного сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждого из m пробных отклонений P_ji(α), j=1,…,k; i=1,…,m, регистрируют, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих структурных блоков и/или состояний топологических связей блоков динамической системы ΔР_ji(α)=Р_ji(α)-F_jном(α), j=1,…,k; i=1,…,m, определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих структурных блоков и/или состояний 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 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 кратный структурный и/или топологический дефект.

Таким образом, предлагаемый способ поиска комбинации дефектов структурных блоков и неисправных топологических связей блоков сводится к выполнению следующих операций:

1. В качестве динамической системы рассматривают систему, состоящую из произвольно соединенных динамических блоков, с количеством рассматриваемых комбинаций структурных и топологических состояний 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 параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения .

4. Фиксируют число контрольных точек k.

5. Предварительно определяют нормированные векторы деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров структурных блоков и/или состояний топологических связей между блоками каждой из m комбинации динамических блоков и топологических связей системы для номинальных состояний комбинации динамических блоков и топологических связей системы и определенного выше параметра α, 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 f_{j ном}(t), j=1,…,k, на интервале t∈[0, Т_К] 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 е^-αt, где , для чего сигналы системы управления подают на первые входы k блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал e^-αt, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы к блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_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 каждой из m комбинаций динамических блоков и топологических связей системы, для чего поочередно изменяют состояние каждой комбинации динамических блоков и топологических связей динамической системы (например, изменяют параметры одного или нескольких блоков и/или меняют связь одного или нескольких блоков с соседними 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 и каждого из m пробных отклонений P_ji(α), j=1,…, k; i=1,…,m, регистрируют.

9. Определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений комбинаций динамических блоков и топологических связей динамической системы ΔP_ji(α)=P_ji(α)-F_jном(α), j=1,…, k; i=1,…, m.

10. Определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений комбинаций динамических блоков и топологических связей 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 F_j(α), j=1,…,k, 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 от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_{j ном}(α), j=1,…,k.

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

15. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправных структурных блоков и/или топологических связей по формуле

, i=1,…,m.

16. По минимуму значения диагностического признака определяют кратный структурный и/или топологический дефект.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска комбинации структурных и топологических дефектов для системы, схема которой представлена на рисунке (см. чертеж. Структурная схема объекта диагностирования).

Передаточные функции блоков:

; ; ,

номинальные значения параметров: T₁=5 с; k₁=1; k₂=1; Т₂=1 с; k₃=1; Т₃=5 с. При поиске комбинации структурного и топологического дефекта в виде отклонения постоянной времени T₁=4 с в первом звене (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 пробных отклонений параметров модели при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J₁=0 (дефект в первом блоке); J₂=0.7904 (обрыв связи между первым и вторым блоком); J₃=0.8862 (дефект в первом блоке и обрыв связи между первым и вторым блоком); J₄=0.08986 (дефект во втором блоке и обрыв связи между третьим и первым блоком); J₅=0.0863 (дефект во втором и третьем блоке, а также обрыв связи между вторым и третьим, третьим и первым блоком). Минимальное значение признака J₁ однозначно указывает на наличие дефекта в первом блоке, а разность между пятым и первым признаками может количественно характеризовать практическую (апостериорную) различимость этого дефекта.

При поиске комбинации структурного и топологического дефекта в виде обрыва связи между первым и вторым звеньями (дефект №2) для данного объекта диагностирования, путем подачи ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды, при том же параметре интегрирования α и при том же времени контроля Т_к, получены значения диагностических признаков на основе пробных отклонений состояний топологической связи при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J₁=0.7904 (дефект в первом блоке); J₂=0 (обрыв связи между первым и вторым блоком); J₃=0.007189 (дефект в первом блоке и обрыв связи между первым и вторым блоком); J₄=0.7086 (дефект во втором блоке и обрыв связи между третьим и первым блоком); J₅=0.6724 (дефект во втором и третьем блоке, а также обрыв связи между вторым и третьим, третьим и первым блоком). Минимальное значение признака J₂ однозначно указывает на изменение топологической связи между первым и вторым блоком.

Моделирование процессов поиска комбинации структурного (в виде отклонения постоянной времени T₁=4 с в первом звене) и топологического дефекта в виде обрыва связи между первым и вторым звеньями (дефект №3) для данного объекта диагностирования, при том же параметре интегрирования α и при единичном ступенчатом входном сигнале дает следующие значения диагностических признаков на основе пробных отклонений параметров модели и состояний топологической связи при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J₁=0.8862 (дефект в первом блоке); J₂=0.01715 (обрыв связи между первым и вторым блоком); J₃=0 (дефект в первом блоке и обрыв связи между первым и вторым блоком); J₄=0.8194 (дефект во втором блоке и обрыв связи между третьим и первым блоком); J₅=0.7836 (дефект во втором и третьем блоке, а также обрыв связи между вторым и третьим, третьим и первым блоком).

Моделирование процессов поиска комбинации структурного (в виде отклонения коэффициента усиления k₂=0.8 во втором звене) и топологического дефекта в виде обрыва связи между третьим и первым звеньями (дефект №4) для данного объекта диагностирования, при том же параметре интегрирования α и при единичном ступенчатом входном сигнале дает следующие значения диагностических признаков на основе пробных отклонений параметров модели и состояний топологической связи при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J₁=0.03641 (дефект в первом блоке); J₂=0.617 (обрыв связи между первым и вторым блоком); J₃=0.6974 (дефект в первом блоке и обрыв связи между первым и вторым блоком); J₄=0 (дефект во втором блоке и обрыв связи между третьим и первым блоком); J₅=0.06111 (дефект во втором и третьем блоке, а также обрыв связи между вторым и третьим, третьим и первым блоком).

Моделирование процессов поиска комбинации структурного (в виде отклонения коэффициентов усиления k₂=0.8 во втором звене и k₃=0.8 в третьем звене) и комбинации топологического дефекта в виде обрывов связей между вторым и третьим, а также третьим и первым звеньями (дефект №5) для данного объекта диагностирования, при том же параметре интегрирования α и при единичном ступенчатом входном сигнале дает следующие значения диагностических признаков на основе пробных отклонений параметров модели и состояний топологической связи при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J₁=0.1138 (дефект в первом блоке); J₂=0.5813 (обрыв связи между первым и вторым блоком); J₃=0.6599 (дефект в первом блоке и обрыв связи между первым и вторым блоком); J₄=0.07486 (дефект во втором блоке и обрыв связи между третьим и первым блоком); J₅=0 (дефект во втором и третьем блоке, а также обрыв связи между вторым и третьим, третьим и первым блоком).

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