Результат интеллектуальной деятельности: Способ поиска топологического дефекта в дискретной динамической системе на основе введения пробных отклонений

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

Известен 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. RU 2541857, 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 обеспечивает определение дефектов только в непрерывной динамической системе.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправного блока в дискретной динамической системе (Способ поиска неисправного блока в дискретной динамической системе: пат. RU 2444774, МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С.-№2011101271/08; заявл. 13.01.2011; опубл. 10.03.2012, Бюл. №7).

Недостатком этого способа является то, что он позволяет находить только неисправности в виде изменения передаточных функций отдельных блоков (подсистем) всей системы.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является расширение функциональных возможностей способа, связанных с поиском топологических дефектов в дискретной динамической системе с произвольным соединением блоков, то есть дефектов, приводящих к обрыву или появлению новых межблочных связей.

Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной дискретной во времени системы , j=1,…,k для N дискретных тактов диагностирования с дискретным постоянным шагом Ts на интервале наблюдения [0, T_k] (где T_k=T_s⋅N) в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов , j=1,…,k дискретной системы, для чего

в момент подачи тестового сигнала на вход дискретной системы с номинальными характеристиками одновременно начинают дискретное интегрирование выходных сигналов системы управления с шагом Ts секунд в каждой из k контрольных точек с дискретными весами с шагом Ts секунд, где , путем подачи на первые входы k блоков перемножения выходных сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают дискретный экспоненциальный сигнал с шагом Ts секунд, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков дискретного интегрирования с шагом Ts секунд, дискретное интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов , j=1,…,k регистрируют, фиксируют число m рассматриваемых возможных изменений топологических связей, определяют интегральные оценки выходных сигналов дискретной модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате введения пробных отклонений топологических состояний каждой из m возможных связей (удаляется существующая межблочная связь или вводится новая межблочная связь), для чего поочередно для каждой возможной топологической связи динамических блоков дискретной системы вводят пробное отклонение состояния топологической связи и находят интегральные оценки выходных сигналов дискретной системы для параметра дискретного интегрального преобразования α и тестового сигнала x(t), полученные в результате дискретного интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждого из m пробных отклонений , j=1,…,k; i=1,…,m регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов дискретной модели, полученных в результате пробных отклонений состояний соответствующих топологических связей блоков дискретной динамической системы , j=1,…,k; i=1,…,m определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов дискретной модели, полученных в результате пробных отклонений состояний соответствующих топологических связей из соотношения , замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек F_j(α), j=1,…,k для параметра дискретного интегрального преобразования α, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек от номинальных значений , j=1,…,k, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой дискретной системы из соотношения , определяют диагностические признаки из соотношения , i=1,…,m, по минимуму значения диагностического признака определяют топологический дефект.

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

1. В качестве дискретной динамической системы рассматривают систему, например с дискретной интерполяцией нулевого порядка, с шагом дискретизации Ts, состоящую из произвольно соединенных динамических блоков с количеством рассматриваемых возможных изменений топологических связей блоков m.

2. Предварительно определяют время контроля T_К≥T_ПП, где T_ПП - время переходного процесса дискретной 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 отклонений интегральных оценок выходных сигналов дискретной модели, полученных в результате пробных отклонений состояний топологических связей блоков каждой из m топологических связей блоков для номинальных состояний топологических связей блоков и определенного выше параметра интегрального преобразования α, для чего выполняют пункты 6-10.

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 , j=1,…,k на интервале t∈[1,N] с дискретным шагом Ts секунд на интервале наблюдения [0, T_k] (где T_k=T_s⋅N) в k контрольных точках и определяют дискретные интегральные оценки выходных сигналов , j=1,…,k дискретной системы. Для этого в момент подачи тестового сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают дискретное интегрирование выходных сигналов системы управления с шагом Ts секунд в каждой из k контрольных точек с дискретными весами , с дискретным шагом Ts секунд, где , для чего выходные сигналы системы управления подают на первые входы k блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают дискретный экспоненциальный сигнал с шагом Ts секунд, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков дискретного интегрирования с шагом Ts секунд, дискретное интегрирование завершают в момент времени T_к, полученные в результате дискретного интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1,…,k регистрируют.

8. Определяют интегральные оценки выходных сигналов дискретной модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате каждого из m пробных отклонений состояний топологических связей, для чего поочередно изменяют состояние каждой топологической связи блоков дискретной динамической системы (например, с состояния «есть связь» в состояние «нет связи», или наоборот) и выполняют пункты 6 и 7 для одного и того же тестового сигнала x(t). Полученные в результате дискретного интегрирования, с шагом Ts секунд, оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждого из m пробных отклонений , j=1,…,k; i=1,…,m регистрируют.

9. Определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов дискретной модели, полученные в результате пробных отклонений состояний топологических связей блоков дискретной динамической системы , j=1,…,k; i=1,…,m.

10. Определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов дискретной 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 дискретной системы для k контрольных точек, , j=1,…,k, осуществляя операции, описанные в пунктах 6 и 7 применительно к контролируемой системе.

13. Определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек от номинальных значений , j=1,…,k.

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

.

15. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправной топологической связи блоков системы по формуле

, i=1,…,m.

16. По минимуму значения диагностического признака определяют топологический дефект.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска топологического дефекта в дискретной динамической системе на основе введения пробных отклонений, структурная схема которой представлена на рисунке (см. Структурная схема объекта диагностирования).

Дискретные передаточные функции блоков

; ; ,

номинальные значения параметров: K₁=5; Z₁=0.98; K₂=0.09516; Q₂=0.9048; K₃=0.0198; Q₃=0.9802. 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 T_к=10 с получены значения диагностических признаков на основе пробных отклонений состояний топологической связи при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J₁=0; J₂=0.7155 (обрыв связи между вторым и третьим блоком); J₃=0.7519 (обрыв связи между третьим и первым блоком). Минимальное значение признака J₁ однозначно указывает на изменение топологической связи между первым и вторым блоками.

Моделирование процессов поиска топологических дефектов связей между вторым и третьим, а также третьим и первым блоками для данного объекта диагностирования, при том же параметре интегрирования α и при единичном ступенчатом входном сигнале дает следующие значения диагностических признаков: При наличии дефекта в виде обрыва топологической связи между вторым и третьим блоками: J₁=0.7155; J₂=0; J₃=0.06701. При наличии дефекта в виде обрыва топологической связи между третьим и первым блоками: J₁=0.7519; J₂=0.06701; J₃=0.

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