Результат интеллектуальной деятельности: Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе функции чувствительности

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 использует задание величин относительных отклонений параметров передаточных функций для моделей с пробными отклонениями.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправностей динамического блока в непрерывной системе на основе функции чувствительности (Способ поиска неисправностей динамического блока в непрерывной системе на основе функции чувствительности: пат. 2580405 Рос. Федерация : МПК G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2015110545/08; заявл. 24.03.2015; опубл. 10.04.2016, Бюл. №10).

Недостатком этого способа является то, что он использует вычисление производных функции чувствительности для параметров передаточных функций моделей.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является уменьшение вычислительных затрат, связанных с реализацией моделей со структурной чувствительностью блоков передаточных функций.

Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной системы f_{j ном}(t), j=1,…,k на интервале t ∈ [0, T_K] в к контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном} (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 к 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_{j ном} (α), j=1,…,k регистрируют, фиксируют число m блоков системы, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек и каждой из m моделей с функциями структурной чувствительности для каждого из m блоков динамической системы, для чего соединяют связью две модели: на вход первой модели подают тестовый сигнал x(t), выходом первой модели определяют вход контролируемого блока, соединяют выход первой модели со входом второй, входом второй модели становится выход контролируемого блока, 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 каждой из m совмещенных моделей со структурной функцией чувствительности

V_ji(α) j=1,…k; i=1,…m регистрируют, определяют нормированные значения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате структурной функции чувствительности каждого из соответствующих блоков из соотношения

замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный входной сигнал x(t), определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(α), j=1,…,k для параметра интегрирования α, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для к контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_{j ном} (α), j=1,…,k, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы из соотношения

определяют диагностические признаки из соотношения

по минимуму значения диагностического признака определяют порядковый номер структурного дефекта.

Таким образом, предлагаемый способ поиска структурного дефекта сводится к выполнению следующих операций:

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

4. Фиксируют число контрольных точек k.

5. Предварительно определяют нормированные векторы интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате интегрирования функций чувствительности i-го блока каждого из m блоков для номинальных значений параметров передаточных функций блоков 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, T_K] в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов f_{j ном}(α), j=1,…,k системы. Для этого в момент подачи входного сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами e^-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_{j ном}(α), j=1,…,k регистрируют.

8. Определяют интегральные оценки выходных сигналов модели чувствительности для каждой из к контрольных точек, полученные в результате использования структурной функции чувствительности каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы соединяют связью две модели: на вход первой модели подают тестовый сигнал x(t), выходом первой модели становится вход контролируемого блока, соединяют выход первой модели со входом второй, входом второй модели становится выход контролируемого блока, 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 каждой из m совмещенных моделей со структурной функцией чувствительности V_{j i}(α), j=1,…,k; i=1,…,m регистрируют.

9. Определяют нормированные значения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате использования структурной функции чувствительности по формуле

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

11. Определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для к контрольных точек F_j(α), j=1,…k, осуществляя операции, описанные в пунктах 6 и 7 применительно к контролируемой системе.

12. 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.

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

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

15. По минимуму значения диагностического признака определяют структурный дефект.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска дефектного блока для системы, структурная схема которой представлена на рисунке (см. фиг. Структурная схема объекта диагностирования).

Передаточные функции блока 1: блока 2: блока 3: номинальные значения параметров: T₁=5 с; k₁=1; k₂=1; Т₂=1 с; k₃=1; Т₃=5 с. При поиске одиночного дефекта в виде отклонения постоянной времени Т₁=4 с в первом блоке путем подачи ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегральных преобразований сигналов для параметра α=0.5 и Т_к=10 с получены значения диагностических признаков на основе пробных отклонений параметров модели (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) при использовании трех контрольных точек (КТ1, КТ2 и КТ3), расположенных на выходах блоков: J₁=0; J₂=0.78; J₃=0.074. Минимальное значение признака J₁ однозначно указывает на наличие дефекта в первом блоке, а разность между третьим и первым признаками может количественно характеризовать практическую (апостериорную) различимость этого дефекта. Тот же дефект, найденный путем применения функции чувствительности и вычислений по формуле (3) с использованием тех же контрольных точек (КТ1, КТ2 и КТ3), времени контроля Т_к=10 с и параметра интегрирования α=0.5 дает следующие значения диагностических признаков: J₁=0; J₂=0.78; J₃=0.074. Анализ значений диагностических признаков показывает, что значения второго и третьего признака, полученные при использовании функции чувствительности, практически такие же, как и при использовании пробных отклонений. Это позволяет сделать вывод, что практическая различимость дефекта первого блока практически такая же, как и при использовании заявляемого способа. Различимости дефектов второго и третьего блоков при поиске их с использованием функции чувствительности тоже практически такие же, как и при использовании пробных отклонений параметров модели.

Моделирование процессов поиска дефектов во втором и третьем блоках 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 блоке №2 (в виде уменьшения параметра Т₂ на 20%, дефект №2): J₁=0.7829; J₂=0; J₃=0.746.

При наличии дефекта в блоке №3 (в виде уменьшения параметра Т₃ на 20%, дефект №3) J₁=0.07406; J₂=0.7471; J₃=0.

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