Результат интеллектуальной деятельности: Способ поиска неисправного блока в дискретной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала

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

Известен способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала (Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала: пат. 2586859 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2015108550/08; заявл. 11.03.2015; опубл. 10.06.2016, Бюл. №16).

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 на основе смены позиции входного сигнала (Способ поиска неисправного блока в дискретной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала: пат. 2579543 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2014150981/28; заявл. 16.12.2014; опубл. 10.04.2016, Бюл. №10).

Недостатком этого способа являются большие вычислительные затраты, так как он предполагает вычисление отклонений выходных сигналов моделей, использующих измененную позицию входного сигнала.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является уменьшение вычислительных затрат, связанных с реализацией отклонений сигналов моделей со смененной позицией входного сигнала.

Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной дискретной во времени системы ƒ_{j ном}(t),j=1,…,k для N дискретных тактов диагностирования t∈[1,N] 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 , 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, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков дискретного интегрирования с шагом Ts, дискретное интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1,…,k регистрируют, фиксируют число m рассматриваемых одиночных дефектов блоков, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек и каждой из m позиций входного сигнала, полученные в результате смены позиции входного сигнала после каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока дискретной динамической системы перемещают место подачи входного сигнала на выход каждого блока, подают через сумматор входной сигнал и находят дискретные интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра α и тестового сигнала x(t), полученные в результате дискретного интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждой из т моделей с различной (зафиксированной на выходах разных блоков) позицией входного сигнала j=1,…, k; i=1,…,m регистрируют, определяют нормированные значения интегральных оценок выходных сигналов дискретной модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков 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 деформации интегральных оценок выходных сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_{j ном}(α), j=1,…,k, определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов контролируемой дискретной системы из соотношения

определяют диагностические признаки из соотношения

по минимуму значения диагностического признака определяют порядковый номер дефектного блока.

Таким образом, предлагаемый способ поиска неисправного блока 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 одиночных дефектов блоков m.

2. Предварительно определяют время контроля Т_K≥Т_ПП, где Т_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 интегральных оценок выходных сигналов дискретной модели, полученные в результате смены позиции входного сигнала на позицию после i-го блока каждого из m блоков для номинальных значений параметров передаточных функций блоков и определенного выше параметра α, для чего выполняют пункты 6-9.

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 ƒ_{j ном}(t), j=1,…,k на интервале t∈[1, N] с дискретным шагом Ts секунд на интервале наблюдения [0,T_k] (где Т_k=T_s⋅N) в к контрольных точках и определяют дискретные интегральные оценки выходных сигналов j=1,…,k 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, дискретное интегрирование завершают в момент времени Т_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 перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока дискретной динамической системы перемещают позицию входного сигнала на выход блока, подают через сумматор входной сигнал и выполняют пункты 6 и 7 для одного и того же входного сигнала x(t). Полученные в результате дискретного интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждой из m моделей с перемещенной позицией входного сигнала Y_ji (α), j=1,…,k; i=1,…,m регистрируют.

9. Определяют нормированные значения интегральных оценок выходных сигналов дискретной модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после соответствующих блоков 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 дискретной системы для k контрольных точек , j=1,…,k, осуществляя операции, описанные в пунктах 6 и 7, применительно к контролируемой системе.

12. Определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек от номинальных значении ΔF_j(α)=F_j(α)-F_{j ном}(α), j=1,…,k.

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

14. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправного структурного блока по формуле (3).

15. По минимуму значения диагностического признака определяют дефектный блок.

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

Дискретные передаточные функции блоков:

номинальные значения параметров: K₁=5; Z₁=0.98; К₂=0.09516; Q₂=0.9048; К₃=0.0198; Q₃=0.9802. При поиске одиночного структурного дефекта в виде отклонения параметра первого блока на 10% (Q₁=0.8), при подаче ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегральных оценок сигналов для параметра α=0.5 и Т_к=10 с, при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков, путем смены позиции входного сигнала получены значения диагностических признаков по формуле (3): J₁=0.056; J₂=0.177; J₃=0.090. Разность между третьим и первым диагностическим признаком может характеризовать апостериорную (практическую) различимость дефекта: ΔJ=J₃-J₁=0.034.

Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного блока (в виде уменьшения параметра первого блока на 10% (Q₁=0.8)) на основе смены позиции входного сигнала с использованием отклонений сигналов моделей со смененной позицией входного сигнала (прототип) при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J₁=0.056; J₂=0.177; J₃=0.090. Различимость дефекта ΔJ=J₃-J₁=0.034.

Моделирование процессов поиска структурного дефекта при других случаях его проявления для данного дискретного объекта диагностирования, при том же параметре интегрального преобразования α и при единичном ступенчатом входном сигнале дает следующие значения диагностических признаков.

При наличии дефекта в блоке №2 (в виде уменьшения параметра Q₂ на 10%, дефект №2): J₁=0.616; J₂=0.422; J₃=0.579. Различимость дефекта: ΔJ=J₃-J₂=0.157.

Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного блока (в виде уменьшения параметра Q₂ на 10%, дефект №2) на основе смены позиции входного сигнала с использованием отклонений сигналов моделей со смененной позицией входного сигнала (прототип) при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J₁=0.616; J₂=0.422; J₃=0.579. Различимость дефекта ΔJ=J₃-J₂=0.157.

При наличии дефекта в блоке №3 (в виде уменьшения параметра Q₃ на 10%, дефект №3): J₁=0.081; J₂=0.156; J₃=0.039. ΔJ=J₁-J₃=0.043.

Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного блока (в виде уменьшения параметра Q₃ на 10%, дефект №3) на основе смены позиции входного сигнала с использованием отклонений сигналов моделей со смененной позицией входного сигнала (прототип) при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J₁=0.081; J₂=0.156; J₃=0.039. Различимость дефекта ΔJ=J₁-J₃=0.043.

Минимальное значение диагностического признака во всех случаях правильно указывает на дефектный блок.

Приведенные результаты показывают, что фактическая различимость нахождения дефектов этим способом такая же, как в прототипе, следовательно, такая же будет и помехоустойчивость способа, однако требуемый объем вычислений диагностического признака меньше, чем в прототипе.