Способ поиска неисправностей динамического блока в непрерывной 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 непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений (Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений: пат. 2613630 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С. - №2016108323; заявл. 09.03.2016; опубл. 21.03.2017, Бюл. №9).

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 динамического блока в непрерывной системе (Способ поиска неисправностей динамического блока в непрерывной системе: пат. 2450309 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С. - №2010148469/08; заявл. 26.11.2010; опубл. 10.05.2012, Бюл. №13).

Недостатком этого способа являются большие вычислительные затраты, так как он предполагает определение минимальных диагностических признаков с дополнительными операциями вычитания на каждый диагностический признак.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является уменьшение вычислительных затрат, благодаря применению максимальных диагностических признаков без дополнительных операций вычитания на каждый диагностический признак.

Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной системы j=1, …, k; на интервале 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 параметров всех блоков, для чего поочередно в каждый параметр 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 j=1, …, k; i=1, …, m; регистрируют, определяют отклонения сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений соответствующих параметров всех структурных блоков от реакции заведомо исправной системы 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 j=1, …, k; определяют отклонения сигналов контролируемой системы для k контрольных точек в n дискретные моменты времени от номинальных значений j=1, …, k; определяют диагностические признаки для каждого из m параметров из соотношения:

по максимуму значения диагностического признака определяют неисправный параметр.

Выражение (1) можно представить в виде:

где:

Диагностические признаки (2) лежат в фиксированном интервале значений [0,1], поэтому различимость двух 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 дискретных значений времени), то выражение в квадратных скобках - есть синус угла между этими векторами, следовательно выражение (2) можно заменить выражением:

где ϕ_i - угол между вектором единичной длины отклонений сигналов ОД от номинальных и вектором единичной длины отклонений от номинальных, сигналов модели с пробным изменением i-го параметра.

Фактическая различимость i-го параметрического дефекта определяется по формуле:

ΔJ_i=J_i-J_k,

где J_j - значение признака i-го присутствующего в объекте параметрического дефекта, J_k - значение ближайшего к нему по величине признака.

Введем также понятие структурной различимости i-го параметрического дефекта как разность:

ΔJ_ci=J_i-J_b,

где J_i - значение признака i-го присутствующего в объекте параметрического дефекта, J_b - значение ближайшего к нему по величине признака параметрического дефекта, расположенного в другом динамическом элементе ОД.

Покажем, что данный способ позволяет находить 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. Область возможных значений диагностического признака лежит в интервале [0, 1].

Таким образом, предлагаемый способ поиска неисправностей динамического блока в непрерывной системе на основе введения пробных отклонений 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 параметров.

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. Фиксируют число контрольных точек k.

4. Предварительно определяют векторы отклонений сигналов модели в дискретные моменты времени, полученные в результате пробных отклонений i-го параметра каждого из m параметров всех блоков для номинальных значений параметров передаточных функций блоков, 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.

6. Регистрируют реакцию системы с номинальными характеристиками j=1, …, k; на интервале в k контрольных точках для n дискретных моментов времени.

7. Определяют сигналы модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений каждого из m параметров блоков для n дискретных моментов времени, для чего поочередно для каждого параметра блока динамической системы вводят пробное отклонение этого параметра 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 j=1, … k; i=1, …, m; регистрируют.

8. Определяют отклонения сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков j=1, … k; i=1, …, m;

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

10. Определяют сигналы контролируемой системы для k контрольных точек и n моментов времени j=1, … k; 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=1, … k;

12. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправного параметра по формуле (1).

13. По максимуму значения диагностического признака определяют дефектный параметр.

Поскольку диагностические признаки (1) и (2) имеют область возможных значений, ограниченную интервалом [0, 1], то разность между максимальным признаком (который указывает на дефектный параметр) и ближайшим к максимальному признаку количественно характеризует различимость данного дефекта с учетом расположения параметра блока 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 параметрам 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 неисправностей динамического блока в непрерывной системе на основе введения пробных отклонений для системы, структурная схема которой представлена на рисунке (см. фиг. Структурная схема объекта диагностирования).

Передаточные функции блоков:

номинальные значения параметров: T₁=5 с (J₁); K₁=1 (J₂); K₂=1 (J₃); Т₂=1 с (J₄); K₃=1 (J₅); Т₃=5 с (J₆). При поиске одиночного параметрического дефекта в виде отклонения постоянной времени T₁=4 с (дефект №1) в первом звене, путем подачи ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды, (Т_к=10 с), получены значения диагностических признаков по формуле (1), при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков. Дефект, найденный путем использования пробных отклонений величиной 10%, дает следующие значения диагностических признаков: J₁=0.94283; J₂=0.295; J₃=0.4197; J₄=0.1633; J₅=0.6094; J₆=0.4829. Анализ значений диагностических признаков показывает, что заявляемый способ обладает довольно хорошей различимостью параметрических дефектов, расположенных как в разных, так и в одном блоке.

Моделирование процессов поиска параметрических дефектов во втором и третьем блоках данного объекта диагностирования, при тех же условиях диагностирования дает следующие значения диагностических признаков.

При наличии дефекта в блоке №2 (в виде уменьшения параметра Т₂ на 20%, дефект №4) заявляемый способ дает следующие результаты: J₁=0.1621; J₂=0.7146; J₃=0.4991; J₄=0.98799; J₅=0.5329; J₆=0.5422.

При наличии дефекта в блоке №3 (в виде уменьшения параметра Т₃ на 20%, дефект №6) заявляемый способ дает: J₁=0.4825; J₂=0.7328; J₃=0.4016; J₄=0.7388; J₅=0.6913; J₆=0.95517.

Максимальное значение диагностического признака во всех случаях правильно указывает на дефектный параметр.

Анализ значений диагностических признаков показывает, что различимость параметрических дефектов заявляемого способа высокая, что благоприятно сказывается на помехоустойчивости диагностирования.

Следует отметить, что заявляемый способ, работоспособен и при больших значениях величин пробных отклонений параметров (10-40%). Ограничением на величину пробного отклонения является необходимость сохранения устойчивости модели с пробным отклонением.

Анализ значений диагностических признаков также показывает, что различимость параметрических дефектов, расположенных в разных блоках, значительно лучше различимости параметрических дефектов, расположенных в одном блоке.