Способ диагностирования неисправностей динамических объектов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области автоматики и может найти применение в системах контроля и поиска неисправностей линейных систем автоматического управления. Способ и устройство, его реализующее, позволяют сократить время диагностирования при уменьшении аппаратных затрат при поиске дефектов в динамических объектах. Сущность способа состоит в том, что фиксируют количество динамических элементов, входящих в состав динамического объекта, фиксируют число контрольных точек динамического объекта, задают его модель, подают на вход тестовое воздействие, проводят цикл тестирования, по результатам которого выявляют отклонения параметров объекта от номинальных, представляют реакцию системы на знакопостоянный прямоугольный тестовый сигнал в виде разложения в ряд Фурье, определяют первый член разложения (постоянную составляющую выходного сигнала), определяют сумму остальных членов ряда, при этом, нормализуя их с учетом реального общего коэффициента усиления, сравнивают определенные значения с установочными величинами диагностической модели и различные возмущающие факторы и делают вывод о соответствии параметра объекта номинальным, измерив постоянную составляющую тестового воздействия, можно определить общий коэффициент усиления объекта диагностирования. Этот принцип реализован в устройстве. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области автоматики и может найти применение в системах контроля и поиска неисправностей линейных систем автоматического управления.

Известен способ тестового диагностирования, основанный на чувствительности временной реакции на выходе системы (а.с. N 297034, кл. G 05 B 23/00, 1969). Использование способа связано с большими временными и аппаратными затратами, которые можно существенно сократить при рассмотрении конкретных структур систем управления.

Наиболее близким к предлагаемому способу техническим решением является способ диагностирования линейных динамических объектов (а.с. N 1300419, кл. G 05B 23/02, 1987), основанный на многократном суммировании и интегрировании входных и выходных сигналов звеньев и проверке пропорциональности сигналов, пропущенных через фильтры, и контрольного сигнала. Реализация этого способа связана со значительными аппаратными и временными затратами вследствие необходимости интегрирования сигналов и организации нескольких контрольных точек.

В качестве ближайшего аналога устройства выбрано устройство, описанное в а.с. СССР N 1300419, кл. G 05B 23/02, 1987. Оно содержит интеграторы, сумматоры, пороговые элементы, блоки умножения, счетчик, коммутатор, генератор тактовых импульсов, компаратор. Применение устройства предполагает организацию нескольких контрольных точек для контроля всех входных и выходных сигналов звеньев и их многократное интегрирование, что определяет значительные аппаратные и временные затраты.

Цель изобретения сокращение времени диагностирования, упрощение устройства диагностирования и уменьшение аппаратных затрат при поиске неисправностей в динамических объектах.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом способе вводят модель диагностируемого динамического объекта, характеризующуюся передаточной функцией вида где К общий коэффициент усиления объекта, Т общая постоянная времени объекта, и исправный динамический объект, на который воздействуют знакопостоянным сигналом прямоугольной формы со скважностью два, устанавливают величины уставок U₁, U₂, U₃, регулируют величины уставок U₁ и U₃ до получения минимальных сигналов рассогласований ₁ и ₂, определяемых соответственно как разность нормированного значения постоянной составляющей выходного сигнала исправного динамического объекта K_ном и значения уставки U₁ и как разность суммы модулей гармоник выходного сигнала исправного динамического объекта и значения уставки U₃, после чего принимают в качестве установочных значений для диагностируемого динамического объекта уставки U₁ и U₃, подают идентичный тестовый сигнал на диагностируемый динамический объект, измеряют постоянную составляющую его выходного сигнала, которую усиливают с помощью первого усилительного звена с коэффициентом усиления, равным обратной величине половины амплитуды тестового сигнала воздействия U_m, полученный сигнал на выходе первого усилительного звена сравнивают с установочным значением U₁, определяют величину рассогласования ₃, одновременно выходной сигнал диагностируемого динамического объекта усиливают с помощью второго усилительного звена с коэффициентом усиления, равным отношению номинального общего коэффициента усиления K_ном к величине измеряемого коэффициента усиления диагностируемого динамического объекта K_реал, вычитают из величины выходного сигнала второго усилительного звена величину постоянной составляющей выходного сигнала диагностируемого динамического объекта, равную K_номU_m/2, выпрямляют полученный сигнал и вычитают из него уставку U₃, определяют сигнал рассогласования ₄ для диагностируемого динамического объекта, формируют сигналы диагностических признаков S₁, S₂, S₃, S₄, удовлетворяющих условиям S₃= 0; S₄= 1 если ₄ -n₂, где n₁ и n₂ зоны нечувствительности для сигналов рассогласования ₃ и ₄ соответственно, а также формируют диагностические сигналы ₁, ₂, ₃, ₄, ₅, реализующие логические функции вида по которым судят о состоянии диагностируемого динамического объекта.

Устройство для реализации способа в отличие от известного, выбранного в качестве ближайшего аналога, содержит блок измерения постоянной составляющей выходного сигнала объекта, первое усилительное звено, выпрямитель, элемент сравнения, первую и вторую схемы формирования диагностических признаков и схему формирования диагностических сигналов, выход блока измерения постоянной составляющей выходного сигнала объекта подключен к информационному входу первого усилительного звена, соединенного выходом с управляющим входом второго усилительного звена и с первым входом первого порогового элемента, второй вход которого является первым установочным входом устройства, служащим для подключения первой уставки U₁, выход первого порогового элемента соединен с входом первой схемы формирования диагностических признаков, подключенной первым и вторым выходами соответственно к первому и второму входам схемы формирования диагностических сигналов, выход второго усилительного звена подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого является вторым установочным входом устройства, служащим для подключения второй уставки U₂, а выход блока сравнения связан с входом выпрямителя, подключенного выходом к первому входу второго порогового элемента, второй вход которого является третьим установочным входом устройства, служащим для подключения третьей уставки U₃, выход второго порогового элемента подключен к входу второй схемы формирования диагностических признаков, соединенной первым и вторым выходами соответственно с третьим и четвертым входами схемы формирования диагностических сигналов, выходы с первого по пятый которой являются выходами устройства, информационные входы блока измерения постоянной составляющей выходного сигнала блока и второго усилительного звена объединены и являются входом устройства, служащим для подключения выхода объекта диагностирования.

На фиг. 1 изображена структурная схема объекта диагностирования; на фиг. 2 АЧХ объекта диагностирования при различных видах неисправностей; на фиг. 3 входной тестовый сигнал; на фиг. 4 функциональная схема устройства диагностирования.

Предлагаемый способ предполагает поиск неисправностей в динамических объектах фиксированной структуры, которая показана на фиг. 1, где W₂(P)=K₂; W₃(P)=K₃.

При диагностировании вводят модель динамического объекта, характеризующуюся передаточной функцией вида где общий коэффициент усиления объекта;
общая постоянная времени объекта.

Амплитудно-частотная характеристика объекта с передаточной функцией (1) имеет вид, представленный на графике 1 фиг. 2. Увеличению общей постоянной времени объекта Т соответствует график 2, а увеличению общего коэффициента усиления K график 3 (см. фиг. 2). По отклонении АЧХ объекта от номинальной можно судить об изменении величин K и T и, следовательно, об отклонении параметров K₁, T₁, K₂, K₃ от номинальных.

Ограничимся рассмотрением неисправностей, приводящих к изменению одного из параметров K₁, K₂, K₃, T₁.

Определим диагностические признаки:
S₁=1 "увеличение K";
S₂=1 "уменьшение K";
S₃=1 "увеличение T";
S₄=1 "уменьшение T".

Тогда состояние объекта диагностирования можно описать следующей системой логических функций:

где
Для определения отклонения общего коэффициента усиления K и общей постоянной времени T подадим на вход диагностируемого объекта тестовое воздействие в виде знакопостоянного сигнала прямоугольной формы со скважностью 2. Вид сигнала показан на фиг. 3. Как известно, такой сигнал можно представить рядом Фурье:

где U_вx(t) входной тестовый сигнал; U_m амплитуда тестового сигнала; T_t период тестового сигнала.

Согласно принципу суперпозиции сигнал на выходе линейного объекта будет равен сумме откликов объекта на каждый член разложения (2). Первое слагаемое ряда постоянная составляющая тестового сигнала. Отклик рассматриваемого объекта диагностирования на постоянную составляющую также постоянная составляющая, отличающаяся от в K_реал раз, где К_реал общий коэффициент усиления объекта. Реакцию объекта на входной сигнал (2) запишем в виде

где F(Т_реал) сумма гармонических составляющих, которая зависит от общей постоянной времени объекта T_реал.

Реальный коэффициент усиления объекта определяется путем выделения постоянной составляющей сигнала (3) и деления ее на величину .

Изменение общей постоянной времени объекта определяется следующим образом.

Осуществляется нормализация сигнала (3) путем умножения его на отношение K_ном/K_реал, где K_ном номинальный общий коэффициент усиления. После этой операции постоянная составляющая выходного нормализованного сигнала диагностируемого объекта становится равной постоянной составляющей объекта с номинальными параметрами.

Из нормализованного выходного сигнала вычитается постоянная составляющая выходного сигнала исправного объекта, равная Полученный после вычитания сигнал зависит только от постоянной времени T_реал и численно равен величине

Этот сигнал подают на выпрямитель, выпрямленный сигнал сравнивают с уставкой, полученной аналогично для исправного объекта, и по отклонению сигналов судят об изменении постоянной времени T_реал.

На фиг. 4 приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит 1 блок измерения постоянной составляющей выходного сигнала объекта, 2 первое усилительное звено, 3 второе усилительное звено, 4 первый пороговый элемент, 5 первая схема формирования диагностических признаков, 6 схема формирования диагностических сигналов, 7 блок сравнения, 8 выпрямитель, 9 второй пороговый элемент, 10 вторая схема формирования диагностических признаков.

Выход блока измерения постоянной составляющей выходного сигнала объекта 1 подключен к информационному входу первого усилительного звена 2, соединенного выходом с управляющим входом второго усилительного звена 3 и с первым входом первого порогового элемента 4, второй вход которого является первым установочным входом устройства, служащим для подключения первой уставки U₁, выход первого порогового элемента 4 соединен с входом первой схемы формирования диагностических признаков 5, подключенной первым и вторым выходами соответственно с первым и вторым входами схемы формирования диагностических сигналов 6, выход второго усилительного звена 3 подключен к первому входу блока сравнения 7, второй вход которого является вторым установочным входом устройства, служащим для подключения второй уставки U₂, а выход блока сравнения 7 связан с входом выпрямителя 8, подключенного выходом к первому входу второго порогового элемента 9, второй вход которого является третьим установочным входом устройства, служащим для подключения третьей уставки U₃, выход второго порогового элемента 9 подключен к входу второй схемы формирования диагностических признаков 10, соединенной первым и вторым выходами соответственно с третьим и четвертым входами схемы формирования диагностических сигналов 6, выходы с первого по пятый которой являются выходами устройства, информационные входы блока измерения постоянной составляющей выходного сигнала объекта 1 и второго усилительного звена 3 объединены и являются входом устройства, служащим для подключения выхода объекта диагностирования.

Способ реализуют с помощью устройства следующим образом.

Для определения уставок U₁, U₂, U₃ к входу устройства подключается выход исправного объекта, на вход которого подается тестовый сигнал прямоугольной формы со скважностью 2. Производят настройку устройства диагностирования, для чего, регулируя уставку U₁, добиваются минимального значения величины ₁= K_ном - U₁ где K_ном сигнал на выходе первого усилительного звена 2. Установкой зоны нечувствительности n₁ порогового элемента 4 добиваются нулевых значений диагностических признаков S₁ S₂ 0 при -n₁< ₁ < n₁ на выходе первой схемы формирования диагностических признаков 5. На второй вход блока сравнения подают уставку , на первый вход которого подается выходной сигнал объекта диагностирования. Коэффициент усиления усилительного звена 3 в режиме настройки устанавливают равным единице при сигнале K_ном на управляющем входе. Сигнал с выхода блока сравнения 7, представляющий собой сумму всех гармоник выходного сигнала объекта, подается на выпрямитель 8. Выходной сигнал выпрямителя подается на первый вход второго порогового элемента и компенсируется изменением уставки U₃ до достижения минимального значения разностного сигнала ₂. Установкой зоны нечувствительности n₂ порогового элемента 9 добиваются нулевых значений диагностических признаков S₃ S₄ 0 при -n₂< ₂ < n₂ на выходе второй схемы формирования диагностических признаков 10.

После настройки устройства диагностирования переходят к диагностированию неисправного объекта, подключая его вход к источнику тестового сигнала той же скважности, амплитуды и частоты. Выход объекта диагностирования подключают к входу устройства диагностирования. На выходе первого усилительного звена 2 появляется сигнал, численно равный общему коэффициенту усиления объекта диагностирования K_реал. Сигнал рассогласования ₃ = K_реал- U₁ используется для формирования диагностических признаков, удовлетворяющих условиям

Сигнал K_реал с выхода первого усилительного звена 2 подается на управляющий вход второго усилительного звена 3, устанавливая тем самым его коэффициент усиления по информационному входу равным K_ном/K_реал. С выхода второго усилительного звена 3 снимается нормализованный выходной сигнал объекта, который подается на вход блока сравнения 7. На выходе блока 7 появляется сигнал, равный сумме гармоник выходного сигнала, который после выпрямления и сравнения с уставкой U₃, подается на вторую схему формирования диагностических признаков 10, на выходе которой формируются признаки в соответствии с условиями
S₃= 1; S₄= 0 если ₄ n₂;
S₃= 0; S₄= 1 если ₄ -n₂,
где ₄ = U₃-F(T_реал) F(T_реал) выпрямленное значение суммы гармонических составляющих объекта.

Сигналы S₁-S₄ подаются на схему формирования диагностических сигналов 6, выходные сигналы которой определяют техническое состояние объекта.

Формула изобретения

1. Способ диагностирования неисправностей динамического объекта, включающий в себя воздействие на динамический объект тестовым сигналом U_m и определение рассогласования параметров его выходного сигнала от номинальных значений, при наличии которого проводят воздействие на диагностируемый динамический объект, после чего определяют характер неисправностей объекта диагностирования, отличающийся тем, что вводят модель диагностируемого динамического объекта, характеризующуюся передаточной функцией вида

где K общий коэффициент усиления объекта;
Т общая постоянная времени объекта,
и исправный динамический объект, на который воздействуют знакопостоянным сигналом прямоугольной формы со скважностью два, устанавливают величины уставок U₁, U₂, U₃, регулируют величины уставок U₁ и U₃ до получения минимальных сигналов рассогласований ₁ и ₂, определяемых соответственно как разность нормированного значения постоянной составляющей выходного сигнала исправного динамического объекта К_ном и значения уставки U₁ и как разность суммы модулей гармоник выходного сигнала исправного динамического объекта и значения уставки U₃, после чего принимают в качестве установочных значений для диагностируемого динамического объекта уставки U₁ и U₃, подают идентичный тестовый сигнал на диагностируемый динамический объект, измеряют постоянную составляющую его выходного сигнала, которую усиливают с помощью первого усилительного звена с коэффициентом усиления, равным обратной величине половины амплитуды тестового сигнала воздействия U_m, полученный сигнал на выходе первого усилительного звена сравнивают с установочным значением U₁, определяют величину рассогласования ₃, одновременно выходной сигнал диагностируемого динамического объекта усиливают с помощью второго усилительного звена с коэффициентом усиления, равным отношению номинального общего коэффициента усиления К_ном к величине измеряемого коэффициента усиления диагностируемого динамического объекта К_реал, вычитают из величины выходного сигнала второго усилительного звена величину постоянной составляющей выходного сигнала диагностируемого динамического объекта, равную К_ном U_m/2, выпрямляют полученный сигнал и вычитают из него уставку U₃, определяют сигнал рассогласования ₄ для диагностируемого динамического объекта, формируют сигналы диагностических признаков S₁, S₂, S₃, S₄, удовлетворяющих условиям
S₁ S₂ 0, если -n₁ < ₃ < n₁,
S₃ S₄ 0, если -n₂ < ₄ < n₂,
S₁ 1; S₂ 0, если ₃ n₁,
S₁ 0; S₂ 1, если ₃ -n₁,
S₃ 1 и S₄ 0, если ₄ n₂,
S₃ 0 и S₄ 1, если ₄ n₂,
где n₁ и n₂ зоны нечувствительности для сигналов рассогласования ₃ и ₄ соответственно,
а также формируют диагностические сигналы y₁, y₂, y₃, y₄, y₅, реализующие логические функции вида
Y₁ S₁ S₃ v S₂ S₄,
Y₂ S₁ S₄ v S₂ S₃,
Y₃ S₃ S₄,
Y₄ S₁ S₂

по которым судят о состоянии диагностируемого динамического объекта.

2. Устройство диагностирования неисправностей динамического объекта, содержащее первый и второй пороговые элементы, отличающееся тем, что в устройство введены блок измерения постоянной составляющей выходного сигнала объекта, первое усилительное звено, второе усилительное звено, выпрямитель, элемент сравнения, первая и вторая схемы формирования диагностических признаков и схема формирования диагностических сигналов, выход блока измерения постоянной составляющей выходного сигнала объекта подключен к информационному входу первого усилительного звена, соединенного выходом с управляющим входом второго усилительного звена и с первым входом первого порогового элемента, второй вход которого является первым установочным входом устройства, служащим для подключения первой уставки U₁, выход первого порогового элемента соединен с входом первой схемы формирования диагностических признаков, подключенной первым и вторым выходами соответственно с первым и вторым входами схемы формирования диагностических сигналов, выход второго усилительного звена подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого является вторым установочным входом устройства, служащим для подключения второй уставки U₂, а выход блока сравнения связан с входом выпрямителя, подключенного выходом к первому входу второго порогового элемента, второй вход которого является третьим установочным входом устройства, служащим для подключения третьей уставки U₃, выход второго порогового элемента подключен к входу второй схемы формирования диагностических признаков, соединенной первым и вторым выходами соответственно с третьим и четвертым входами схемы формирования диагностических сигналов, выходы с первого по пятый которой являются выходами устройства, информационные входы блока измерения постоянной составляющей выходного сигнала объекта и второго усилительного звена объединены и являются входом устройства, служащим для подключения выхода объекта диагностирования.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4