ES2244796T3 - Procedimiento de reconfiguracion para un sistema sensor con al menos un juego de observadores para la compensacion de averias y el aseguramiento de una calidad de los valores de medida. - Google Patents

Procedimiento de reconfiguracion para un sistema sensor con al menos un juego de observadores para la compensacion de averias y el aseguramiento de una calidad de los valores de medida.

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ES2244796T3 ES02758104T ES02758104T ES2244796T3 ES 2244796 T3 ES2244796 T3 ES 2244796T3 ES 02758104 T ES02758104 T ES 02758104T ES 02758104 T ES02758104 T ES 02758104T ES 2244796 T3 ES2244796 T3 ES 2244796T3
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Abstract

Procedimiento de reconfiguración que está previsto para su implementación en un sistema computerizado, para la compensación de averías de un sistema sensor (1) con al menos dos observadores, que están formados, respectivamente, por al menos un sensor (2; 50) para la medición (12, 22) de estados de sistema de un sistema de aplicación (11, 21) y al menos un modelo del sistema (4) para la estimación de estados de sistema del sistema de aplicación para proporcionar estados del sistema a un dispositivo de tratamiento de datos (14, 24) asociado con una fiabilidad predeterminada, en el que para un primer observador a partir de valores de desviación son determinados estados de avería que resultan de la comparación de un número de estados medidos por medio del al menos un sensor con un estado estimado por medio del modelo del sistema, caracterizado porque al alcanzarse un primer valor umbral para las desviaciones es inicializado al menos otro observador con un número de desviaciones formadas para etapas de tiempo cubiertas para la determinación del estado de avería del otro observador, y porque los estados del sistema determinados por el otro observador son enviados al dispositivo de tratamiento de datos (14, 24) para tratamiento subsiguiente en el mismo, tan pronto como el primer observador ha alcanzado un segundo valor umbral.

Description

Procedimiento de reconfiguración para un sistema sensor con al menos un juego de observadores para la compensación de averías y el aseguramiento de una calidad de los valores de medida.
La invención se refiere a un procedimiento de reconfiguración previsto para su implantación en un sistema computerizado para la compensación de averías de un sistema sensor con al menos un juego de observadores para la compensación de averías y el aseguramiento de una calidad de los valores de medida, así como un sistema sensor para la realización del procedimiento.
La invención se refiere en particular a un procedimiento de reconfiguración previsto para su implantación en un sistema computerizado, así como a un sistema sensor correspondiente para la compensación de averías del sistema sensor con al menos dos observadores configurables, que presentan, respectivamente, al menos un sensor para la medición de estados del sistema de un sistema de aplicación y al menos un modelo del sistema para la descripción del sistema de aplicación con la formación de al menos un primer observador para la estimación de estados del sistema, para proporcionar estados del sistema a un dispositivo de tratamiento de datos asociado, siendo determinados para un primer observador estados de avería a partir de valores de desviación que resultan de la comparación de un número de estados medidos por medio del al menos un sensor con un estado estimado mediante el modelo del sistema.
El documento DE 36 38 131 A1 da a conocer una unidad de mando, en la que para dos detectores de calor están almacenados valores umbral de temperatura. Para el caso de una avería de un sensor, es decir, en caso de una desviación no tolerable respecto de un valor teórico, se emplea un valor de sustitución. El valor de sustitución es constante e idéntico para cualquier estado de funcionamiento y representa un valor diferencial de las temperaturas con respecto a un caso normal. El valor de temperatura respectivo es averiguado mediante una determinada suma o resta.
El documento DE 197 05 766 C1 da a conocer un dispositivo de mando para un motor de combustión interna que comprende diferentes sensores, tales como un indicador de la posición del pedal, un medidor de masa de aire o un sensor de temperatura. Además son determinados parámetros de funcionamiento, tales como una presión ambiente o una contrapresión del gas de escape a través de una relación de campo característico o por un observador. Con las magnitudes de ajuste determinadas por el dispositivo de mando son regulados aparatos de ajuste con respectivamente un accionamiento de ajuste y un miembro de ajuste. Como miembro de ajuste está prevista una válvula de mariposa, una válvula de inyección, una bujía de encendido o un conmutador entre dos longitudes de tubo de admisión diferentes. Un dispositivo de monitorización monitoriza al menos un sensor. Por medio de los sensores y del observador son determinados diferentes valores de sensor o valores de estimación de los mismos y a partir de ellos magnitudes derivadas. Al ser sobrepasados valores umbral predeterminados correspondientes según un esquema predeterminado es cerrado a la deficiencia de determinados sensores.
El documento WO 94/12948 A1 da a conocer un procedimiento y un dispositivo para el funcionamiento de una red neuronal con datos erróneos y/o incompletos. Un procesador de decisión está previsto para la monitorización de una monitorización de salida y varía o impide la salida del mismo, cuando la salida de un modelo de incertidumbre sobrepasa un valor umbral predeterminado. Como entrada para el procesador de decisión se emplea un valor de probabilidad para la fiabilidad de la salida, que es determinado durante una fase de entrenamiento para un rango de valores predeterminado.
Los sistemas sensores o sistemas de medida realizables técnicamente presentan siempre una "desviación" (en inglés: deviation) respecto de un estado ideal del sistema. Mientras que estas desviaciones no afecten a la precisión necesaria (especificada) (de las informaciones de salida), se habla de "errores" (en inglés: errors) o también de errores residuales no calibrables. El significado de la palabra error no incluye en este contexto el contenido de que se trata de un estado que hay que corregir, sino más bien que es una "desviación" aceptada. Cuando estas desviaciones aparecidas debidas a defectos de hardware, errores de software o por deficiencias en la modelización el sistema afectan a la precisión (especificada) necesaria de las informaciones de salida, se habla de "averías" (en inglés: failure).
Un sistema es denominado "tolerante a averías" (en inglés: failure tolerant) cuando reconoce a tiempo y evita por medidas adecuadas o procedimientos de reconfiguración averías de los componentes internos (averías internas), que pueden conducir a averías de las informaciones de salida, de modo que la información de salida afecte a la precisión (especificada) necesaria.
Por el estado de la técnica son conocidos observadores para la estimación de estados que se producen en procesadores o desarrollos de sistemas técnicos. Observadores de este tipo están descritos, por ejemplo, en "Regelungstechnik" de O. Föllinger, 1994, Hüthig GmbH en las páginas 405-407. Éstos representan una combinación de sensores para la medición parcial o completa de un estado momentáneo y de un modelo del sistema, que describe el comportamiento en el tiempo de un sistema predefinido para la determinación analítica del estado. Un observador formado por sensores y el modelo del sistema que representa una descripción completa del sistema para el presente, estima para ello el estado del sistema. Tal observador puede ser en general un observador de Luenberger, un filtro de Kalman, una red neuronal u otro procedimiento de observador habitual.
Por el estado de la técnica es conocido además emplear un observador para la fusión de señales de sensor con un modelo del sistema. El observador tiene en cuenta así la precisión aceptada del modelo del sistema, así como las precisiones aceptadas de las señales de sensor de tal forma que fusiona éstas lo más óptimamente posible.
Puesto que el estado del sistema es medido parcialmente al menos con un sensor, puede ser determinado un estado de avería en virtud de la desviación de los valores de medida respecto de la esperanza de los valores de estimación correspondientes del modelo del sistema. Tras la comparación con valores umbral se tiene entonces un estado de avería.
Con ayuda de un filtro de Kalman puede ser producida una fusión óptima de todas las señales de sensor empleando una ponderación predeterminada. Esto se realiza de manera que en el funcionamiento del sistema las señales de sensor o estados del sistema del modelo de sistema relativamente inexactos son ponderados con menor peso que las señales de sensor o estados del sistema del modelo del sistema más exactos, siendo aceptadas determinadas precisiones de los sensores o del modelo del sistema. La fusión mencionada puede, sin embargo, ser óptima sólo si las precisiones aceptadas de las señales de sensor o del modelo de sistema coincide con las precisiones verdaderas de las señales de sensor o de los modelos del sistema. En caso de una avería de una señal de sensor o de un modelo de sistema, esto es si la precisión predeterminada de uno o varios sensores o del modelo de sistema no puede ser mantenida, el observador emplea las señales de sensor o los estados del sistema del modelo de sistema como antes en la ponderación original prevista Así, un sensor o estado del sistema evaluado como sensor o estado del sistema exacto en virtud de las especificaciones en la combinación con otras señales de sensor o estados del sistema es ponderado entonces con peso relativamente alto, si proporciona señales imprecisas. El observador pondera en este caso las diferentes señales ya no de forma óptima, de modo que en total resulta una solución subóptima por el observador. Esto puede conducir a una pérdida de precisión considerable de las señales de salida del observador.
El inconveniente descrito es válido para cualquier procedimiento de observador según el estado de la técnica, y en particular también para aquellos que emplean un filtro de Kalman.
Para reconocer averías de sensor o errores en la modelización del sistema y eliminarlos del sistema, fue desarrollado, por tanto, basándose en la técnica de observadores el llamado banco de observadores o de filtros de Kalman, en el que son empleados varios observadores temporalmente uno tras otro. Tal sistema está publicado en el documento "Applied Optimal Control" de A. Bryson, H. Yu-Chi, 1975, en las páginas 388 y 389. Allí un observador, llamado observador principal, procesa todas las señales de sensor que van a ser procesadas con un modelo de sistema que se refiere a un sistema sin errores de sistema. Los otros observadores, los llamados observadores secundarios, procesan por el contrario una selección secundaria de las señales de sensor que van a ser procesadas en combinación con modelos del sistema que se refieren a diferentes errores el sistema. Qué observadores secundarios en un banco de observadores deben ser empleados depende de qué combinaciones de errores de sensor y errores de sistema se consideren.
Cada observador del banco de observadores determina en cada medición de sensor un llamado residuo, que representa la diferencia entre la señal de sensor medida y la señal de sensor esperada para este instante por el observador a través del modelo de sistema. La comparación de este residuo con una magnitud esperada o precisión del residuo permite la determinación de la densidad de probabilidad, de modo que la última medida coincida con el modelo de sistema del observador. Si esta densidad de probabilidad sobrepasa un cierto valor umbral, entonces ésta es tratada como avería. Para poder reconocer las desviaciones que se producen a través del tiempo como avería siempre que representen una avería, son tenidos en cuenta en el banco de observadores previamente conocido en la valoración de la densidad de probabilidad de los residuos también todos los residuos aparecidos en el pasado. La densidad de probabilidad de todas las medidas pasadas es determinada con ayuda de procedimientos matemáticos. En caso de ser detectada una avería, esto es si las densidades de probabilidad de medidas pasadas en relación con el modelo del sistema están por debajo de un valor umbral de probabilidad, el banco de observadores conmuta al observador secundario con la mayor densidad de probabilidad en ese instante.
Un inconveniente del procedimiento conocido es que éste funciona de forma fiable sólo en caso de aparición de averías que han sido definidas previamente.
Por el documento EP 1 096 122 A1 es conocido un procedimiento para la detección de errores de sensor y para la monitorización de condiciones de funcionamiento de un sistema con sensores y observadores.
Por el documento WO 01/35176 A2 se ha dado a conocer un sistema de servocontrol, así como un procedimiento para la estimación de desviaciones en tal sistema de servocontrol, en los que es determinada una tasa de error del sistema de servocontrol. A partir de las tasas de error son determinados valores de error de posición escalares y a partir de ellos a través de una estimación de valores absolutos es determinado el valor de error real.
Por el documento DE 195 45 719 A1 se ha dado a conocer un procedimiento para la regulación de la temperatura de descarga de calentadores de salida libre por el control individual de los elementos de calor particulares a través de reguladores no lineales asociados a ellos. Así se realiza una estimación del flujo y magnitudes de estado internas mediante observadores no lineales o lineales. Una monitorización del sistema se lleva a cabo por evaluación de las magnitudes de estado estimadas.
Por el documento US-PS 5 582 021 es conocido un procedimiento para el mando de una instalación de climatización para un vehículo empleando sensores. En caso de funcionamiento erróneo de un sensor son determinados valores de corrección basándose en un modelo computacional para el entorno, que son sumados a un valor estimado.
Es un objeto de la invención proporcionar un sistema sensor con al menos un juego de observadores y un procedimiento para una reconfiguración del sistema sensor, con el que se consiga una precisión mejorada en caso de avería.
Este objeto se lleva a cabo con las características de la reivindicación 1. Otras formas de realización están indicadas en las reivindicaciones subordinadas.
El procedimiento de reconfiguración previsto según la invención para su implementación en un sistema computerizado para la compensación de averías de un sistema sensor presenta al menos un sensor para la medida de estados del sistema de un sistema de aplicación y al menos un modelo del sistema para la descripción del sistema de aplicación, con la formación de al menos un observador para la estimación de estados del sistema, para proporcionar estados del sistema a un dispositivo de tratamiento de datos asociado. Con este procedimiento son determinados estados de avería para un observador, es decir, una primera combinación de un sensor y un modelo del sistema, en virtud de desviaciones que resultan de la comparación de una cantidad de estados medidos por el al menos un sensor con un estado estimado por el modelo del sistema. Al alcanzarse un primer valor umbral para las desviaciones es inicializado al menos otro observador, es decir, otra combinación de un sensor y un modelo del sistema con un estado del sistema medido por la primera combinación y un número de desviaciones, siendo enviados los estados del sistema determinados por la otra combinación al dispositivo de tratamiento de datos para el procesamiento subsiguiente por el mismo, tan pronto como la primera combinación ha alcanzado un segundo valor umbral.
En el procedimiento de reconfiguración la primera combinación puede ser inicializada por la otra combinación y estados del sistema son enviados al dispositivo de tratamiento de datos para procesamiento subsiguiente por éste, tan pronto como la primera combinación está por debajo del primer valor umbral.
Al ser sobrepasado el primer valor umbral por el primer observador puede ser seleccionado aquel otro observador que presente las mínimas desviaciones de los estados del sistema a través de un periodo de tiempo pasado predeterminado. Alternativamente, al ser sobrepasado el primer valor umbral por el primer observador el siguiente observador puede ser seleccionado según una secuencia predeterminada.
Una ventaja del procedimiento según la invención o del dispositivo según la invención es que el banco de observadores por una conmutación a otra configuración de observador con un subconjunto de señales de sensor no rechaza las señales de sensor del observador principal, reconocido ahora como que adolece de errores, aparecidas antes de la avería, ya que sus señales han sido suficientemente exactas antes de la avería. Con ello, por ejemplo no se pierden todos los efectos de aprendizaje, tales como por ejemplo la estimación de offset del sensor o una precisión elevada del observador, que fueron generados por la señal de sensor desconectada antes de la avería.
Para el caso de una avería, a diferencia del estado de la técnica, no se conmuta a un observador secundario, que en ese momento contiene una modelización correcta del sistema con errores del sistema, aunque en el pasado no ha descrito correctamente al sistema, ya que entonces el error del sistema aún no había aparecido.
Por la consideración de valores pasados se evita una reducción innecesaria de la precisión del observador.
La solución según la invención es también ventajosa en lo que respecta a la precisión que se produce tras la avería interna. Según la invención el banco de observadores cambia al observador correspondiente cuando la desviación del sensor reconocido como averiado o del modelo del sistema antes del reconocimiento de la avería era tan grande que todavía influye en los cálculos de densidades de probabilidad acometidos tras la avería, es decir futuros. Por tanto, a diferencia del estado de la técnica en caso de una avería de sensor la información de señales de sensor futuras, posiblemente correctas, del sensor clasificado como averiado no son rechazadas. En el caso de un error de sistema se conmuta según la invención al modelo del sistema correcto sin errores de sistema, lo que también conduce a una mejora de la precisión de las señales de salida.
Frente a la solución según la invención en el procedimiento de acuerdo con el estado de la técnica, el efecto relevante para el pasado además del relevante para el futuro pueden conducir a una pérdida de información considerable del banco de observadores, ya que una gran parte de señales de sensor correctas son rechazadas o no procesadas con los modelos del sistema considerados correctos.
A continuación se describirá la invención en virtud de las figuras adjuntas, que muestran:
Fig. 1, un primer ejemplo para la aplicación del sistema sensor según la invención o del procedimiento según la invención, en el que por el sistema sensor son detectados estados externos o estados de movimiento de un sistema de aplicación,
Fig. 2, un segundo ejemplo para la aplicación del sistema sensor según la invención o del procedimiento según la invención, en el que por el sistema sensor son detectados estados internos o estados de funcionamiento de otro sistema de aplicación, y
Fig. 3, un ejemplo para un banco de observadores previsto en un sistema sensor con la representación de una avería interna aparecida a modo de ejemplo y su tratamiento por la técnica del sistema en etapas de tiempo k a k+11.
Según la invención está previsto un procedimiento de reconfiguración para un sistema sensor 1, en el que el sistema sensor 1 presenta varios sensores 2 para la medida de estados de un sistema de aplicación y al menos un modelo del sistema 4 para la descripción del sistema de aplicación 11 con la formación de al menos un juego de observadores 6, para proporcionar estados 10 del sistema de aplicación 11 mediante los valores de medida a un dispositivo de tratamiento de datos 14 asociado al sistema sensor, siendo compensadas las averías en el sistema sensor, errores en la modelización del sistema o averías en el sistema de aplicación por medio de la reconfiguración y proporcionados valores de medida de calidad óptima. El al menos un modelo del sistema 4 empleado en cada caso puede ser un modelo analítico, es decir formulado por algoritmos, y/o un modelo descrito por listas y asignaciones. El sistema sensor 1 presenta además una unidad de cómputo 8, en la que están implementadas interfaces para los sistemas de aplicación y para los dispositivos de tratamiento de datos 14 asociados, así como funciones del sistema, por ejemplo para proporcionar en el tiempo valores de diferentes funciones del sistema sensor 1. El procedimiento de reconfiguración según la invención puede ser implementado en la unidad de cómputo 8 o en otro lugar en el sistema sensor 1 o en una unidad fuera del sistema sensor 1.
El procedimiento o sistema reivindicado se refiere en general a un sistema sensor que determina estados de un sistema de aplicación. El sistema sensor puede así estar previsto en un primer caso general para medir estados que un sistema o sistema de aplicación produce directamente y en un segundo caso general para medir estados del propio sistema o sistema de aplicación, esto es, sus estados de funcionamiento.
En el primer caso, en el que por medio del sistema sensor 1 según la invención son medidos estados externos 10 y que está representado en la Fig. 1, se puede tratar en cuanto al sistema de aplicación 11, por ejemplo de un vehículo (terrestre, marítimo o aéreo) y en particular de un avión o de un robot. En el caso de un vehículo el estado externo puede comprender a la posición o situación en el espacio o derivaciones temporales de la misma. Los valores de medida obtenidos por el sistema sensor 1 para los estados externos (la medida está designada simbólicamente con el símbolo de referencia 12) son fusionados en el sistema sensor 1 mediante el al menos un juego de observadores 6 formado por sensores 2 y al menos un modelo del sistema 4 de acuerdo con el procedimiento según la invención y en forma de un vector de estado optimizado y alimentados a través de una conducción 13 a un dispositivo de tratamiento de datos 14 asociado al sistema sensor 1, que puede ser un sistema de control, un sistema de mando, de regulación o conducción, para otro uso. El dispositivo de tratamiento de datos 14 puede estar previsto en particular también para el mando del sistema de aplicación.
El sistema sensor 1 puede ser un sistema de navegación y/o un sistema de referencia de la posición. Por ejemplo, los sensores en este caso de aplicación son sensores inerciales y el modelo del sistema un modelo que describe el comportamiento del vehículo en virtud de fuerzas de mando. En este caso, en cuanto al modelo del sistema se trata de un modelo de vehículo analítico. Además, el sistema sensor puede ser un sistema de datos del aire de un avión, que contiene los estados de movimiento: velocidad, altura y ángulo de referencia respecto al aire del entorno. Por ejemplo, el sistema sensor previsto según la invención puede estar previsto también para la detección por ejemplo de la posición de un robot en el espacio o de la posición y/o alineación de los brazos del robot.
Las averías internas que se producen y que van a ser compensadas por el procedimiento según la invención pueden referirse a:
-
el modelo del sistema y concretamente por imprecisiones en la reproducción del comportamiento real del vehículo o errores sistemáticos del modelo, o
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los sensores, por ejemplo por avería o defecto de uno o varios sensores.
En el segundo caso representado en la Fig. 2, en el que con el sistema sensor 1 se van a medir estados internos o estados de funcionamiento 20, la aplicación según la invención se refiere a un sistema de aplicación 21 mecánico, químico o electrotécnico, cuyo estado interno puede ser determinado por un proceso dinámico, que puede ser determinado mecánicamente, químicamente o electrotécnicamente. Los valores de medida (la medida está designada simbólicamente con el símbolo de referencia 22) medidos por el sistema sensor 1 son fusionados en el sistema sensor por medio de al menos un juego de observadores 6 formado por sensores 2 y al menos un modelo 4 de acuerdo con el procedimiento según la invención y alimentados en forma de un vector de estado optimizado a través de una conducción 23 a un dispositivo de tratamiento de datos 24 asociado al sistema sensor 1, que puede ser un sistema de control o de mando, para otro uso.
Un ejemplo para un sistema mecánico como caso de aplicación del sistema de aplicación 11 es un sistema de ajuste, cuyos estados de funcionamiento pueden ser la posición y/o la velocidad de una servoválvula, un actuador o presiones. Los estados de funcionamiento de un sistema de aplicación químico a ser medidos pueden ser temperaturas de reacción, concentraciones de sustancias que reaccionan entre sí, presiones o parámetros intrínsecos o extrínsecos en general o propiedades de cualquier tipo. En el caso de un sistema eléctrico los estados de funcionamiento a ser medidos pueden ser corrientes, tensiones, capacidades o también propiedades de sustancias o químicas.
Las averías internas que se producen para el segundo caso de aplicación representado en la Fig. 2 y que van a ser compensadas por el procedimiento según la invención pueden referirse a:
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el modelo del sistema, y concretamente por imprecisiones en la reproducción del comportamiento real del vehículo o por errores sistemáticos del modelo, pudiendo estar presente el modelo del sistema analíticamente o como juego de datos en virtud de una calibración aerodinámica, química o de otro tipo,
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los sensores, por ejemplo por avería o defecto de uno o de varios sensores, o
-
desviaciones de valores del proceso o del dispositivo respecto a valores teóricos debidas a averías técnicas, por ejemplo por una avería mecánica, o mandos del proceso averiados o averías eléctricas.
Las disposiciones del sistema sensor y el sistema de aplicación representadas en la Fig. 1 y la Fig. 2, así como sus asignaciones funcionales pueden también ser combinadas entre sí. Así pueden también estar previstos en particular sistemas sensores con modelos del sistema, que detecten tanto estados externos como estados de funcionamiento. En tales aplicaciones pueden, no obstante, ser asociados también sistemas sensores en los que un sistema sensor detecta estados externos y otros estados de funcionamiento.
En resumen, el sistema sensor reconfigurable según la invención está previsto para la medición de estados, siendo asignado al sistema sensor un dispositivo o equipo de tratamiento de datos, tal como un dispositivo de control o mando, al que sean alimentados los valores de medida detectados para posterior tratamiento. Para este fin las magnitudes de medida deben presentar la integridad y disponibilidad exigidas para que sean compensadas las averías de sensor y los errores en la modelización del sistema. En las aplicaciones correspondientes (segundo caso) se puede controlar, mandar o regular un estado de funcionamiento. Así, adicionalmente se pueden detectar las magnitudes de determinación de los respectivos estados de funcionamiento con una disponibilidad e integridad de buena calidad.
Todas las averías mencionadas pueden, por tanto, ser compensadas según la invención para todas las aplicaciones mencionadas y las magnitudes de medida ser proporcionadas, por tanto, con calidad óptima, ya que la decisión, de si debe tener lugar un cambio de configuración, según la invención depende únicamente de las desviaciones entre los valores de sensor y los valores del modelo del sistema empleado en cada caso, es decir, los llamados residuos y no juega ningún papel si las averías dependen de los dispositivos sensores, del modelo del sistema o eventualmente de otro sistema que se esté monitorizando.
El sistema sensor 1 según la invención es un sistema tolerante a las averías en la medida de que pueden ser compensados los tipos de averías que se producen en el sistema sensor 1 mencionados. No obstante, puede ser empleado también como sistema de reconocimiento de averías/sistema de monitorización de averías, ya que averías de un sistema externo (el sistema de aplicación 11 ó 21) que pueden referirse a estados externos de un sistema de aplicación 10 (por ejemplo, estados de movimiento en el espacio) o a estados de funcionamiento del sistema de aplicación 20, pueden ser reconocidos por la comparación de los valores fusionados con valores teóricos. En el sistema sensor 1 cooperan una combinación de sensores y un modelo del sistema en un observador. Los sensores tienen así sobre todo en la propia unidad de medida componentes de hardware. Un modelo del sistema puede ser realizado sólo en software. Esta disposición estima un estado del sistema y está en situación de en caso de averías de sensores emitir una estimación, la mejor posible, determinada por software del estado del sistema a otras funciones.
Como tipos de averías se consideran, por consiguiente, defectos de hardware de los sensores, así como errores de software o del sistema. Así hay que tener en cuenta que puede formarse una desviación hasta que se produce una avería ya que el procedimiento según la invención se desarrolla en etapas de tiempo. Una desviación producida en una primera etapa de tiempo prosigue en la etapa de tiempo siguiente. Los estados o valores de estado que se van a medir dependen del tiempo, de modo que los sensores detectan estados dependientes del tiempo.
A continuación se describirá el procedimiento de reconfiguración según la invención en relación con la Fig. 3, que muestra de forma esquemática en el ejemplo de un sistema de navegación previsto para aviones, sensores y el procedimiento de conmutación o reconfiguración según la invención para una avería de sensor supuesta a modo de ejemplo.
El mecanismo o el procedimiento de reconfiguración puede ser adaptado para diferentes modelos del sistema, siendo sustituidas diferentes combinaciones de sensores 10 en la Fig. 3 por diferentes modelos de sistema. También es posible una combinación de combinaciones de sensores y diferentes modelos del sistema.
En la Fig. 3 están representados en filas los estados de desviación de varios sensores y combinaciones de sensores del sistema sensor 1, que están registrados a modo de ejemplo para un sistema de navegación en la columna 50 y están designados con las abreviaturas de los sensores previstos respectivos. Como abreviaturas se emplean en la Fig. 3: LINS para Laser Inertial Navigation System, GPS para Global Positioning System y TRN para Terrain Reference Navigation System. Las señales procedentes de estos sensores y combinaciones de sensores están preparadas para el al menos un juego de observadores 6, siendo denominado el observador 6 principal o secundario, según si sus valores son empleados o no en el dispositivo de tratamiento de datos 14 ó 24. Así en la forma de realización representada y en el estado de partida representado el observador principal (fila 61) recibe las señales de sensor de un LINS (Laser Inertial Navigation System), de un GPS (Global Positioning System) y de un TRN (Terrain Reference Navigation).
El ejemplo representado en la Fig. 3 de una parte relativa al sensor de un sistema de navegación muestra los estados del sistema sensor, así como el estado de avería correspondiente o estado de avería 51 de un observador principal y de varios observadores secundarios, respectivamente, en una pluralidad de etapas de tiempo sucesivas k a k+11. En el ejemplo representado son empleados observadores para la fusión de los sensores con el modelo del sistema. Con el estado del sistema se hace referencia en este caso a la descripción presente completa del sistema respectivo, es decir, los valores de todas las magnitudes esenciales determinadas por el observador para una etapa de tiempo actual. Para por un lado representar el desarrollo temporal y por otro lado la simultaneidad de estas propiedades, éstos están dispuestos en filas 61, 62, 63, 64, 65, 66 y columnas k a k+11. Las columnas k a k+11 simbolizan las etapas de tiempo representadas, mientras que en las filas 61, 62, 63, 64, 65, 66 están representados los filtros activados en las etapas de tiempo respectivas. Así en la fila 61 está representado el observador principal o primer observador y en las filas 62, 63, 64, 65, 66 los observadores secundarios disponibles u otros observadores. Así, los observadores que proporcionan valores a los dispositivos de tratamiento de datos 14 ó 24 asociados, es decir, son activos respectivamente en una etapa de tiempo, están representados con cajitas rellenas de puntos, mientras que los observadores cuyos valores no son empleados en una etapa de tiempo, dicho en pocas palabras son inactivos, están representados con cajitas rellenas de gris.
Varios observadores activos en una etapa de tiempo son denominados un banco de observadores. Los observadores o bien observadores principal y secundarios, así como los modelos de sistema asociados no están representados como tales en la Fig. 3, sino tan sólo los sensores o combinaciones de sensores (registrados en la columna 50), que están unidos a modelos del sistema y pertenecen a observadores determinados. Estas disposiciones dependen del caso individual y de aplicación y se determinan de acuerdo con criterios conocidos (precisión, tecnologías disponibles, etc.) y procedimientos de diseño. Los estados del sistema transmitidos al dispositivo de tratamiento de datos respectivo son determinados, respectivamente, por una combinación de al menos un sensor para la medición de estados del sistema de un sistema de aplicación y al menos un modelo del sistema para la descripción del sistema de aplicación con la formación de al menos un juego de observadores para la estimación de estados del sistema. Las combinaciones de este tipo serán denominadas a continuación simplemente combinaciones.
El observador principal o primer observador, así como los observadores secundarios u otros observadores emplean como señales actuales de sensor las señales de diferentes sensores 50. Así, el observador principal está formado por una combinación predeterminada de al menos un sensor y al menos un modelo de sistema (no mostrado en la Fig. 3), empleando el observador principal o primer observador las señales preferentemente de un número máximo o de una primera selección de sensores, para tener una precisión y calidad de medida lo más altas posibles, mientras que los observadores secundarios u otros observadores emplean las señales de una subcombinación de este número máximo o de la primera selección de sensores. Los modelos del sistema así empleados pueden por tanto ser diferentes.
Estos sensores en el ejemplo de realización representado en la Fig. 3 están previstos a modo de ejemplo para un sistema de navegación. Para otros sistemas de navegación, así como para sistemas sensores que están previstos para otras aplicaciones (figuras 1 y 2) son considerados otros sensores y con ello otros observadores principales y otros observadores secundarios. El mecanismo puede ser adaptado también para diferentes modelos del sistema, sustituyendo las diferentes combinaciones de sensores 10 por diferentes modelos del sistema. También es posible una combinación de combinaciones de sensores y modelos de sistema diferentes.
La Fig. 3 muestra el desarrollo en el tiempo, a modo de ejemplo en doce etapas de tiempo, en el que es reconocida una avería en las señales de sensor. En la representación de la Fig. 3 se muestra cómo se comporta el sistema sensor durante el tiempo en el que existe una avería interna y es por ello reconfigurado. Por tanto, las etapas de tiempo representadas k a k+11 representan sólo un tramo de todo el desarrollo de la función en el tiempo. En la Fig. 3 está representada la primera etapa de tiempo con la cifra k, la segunda etapa con la cifra k+1. Otras etapas de tiempo no están representadas en la figura y son omitidas hasta la undécima designada por k+10. A continuación está representada aún la etapa k+11, en la que el sistema sensor en el ejemplo representado ha alcanzado de nuevo el estado de partida.
En los bloques 51 que simbolizan los estados del sistema sensor y estados de avería de los observadores o filtros en cada etapa de tiempo se describirá el estado de avería, respectivamente, por un valor de probabilidad, que hace una afirmación de con qué probabilidad, que es determinada en virtud de un número n predeterminado de las últimas medidas del bloque, fueron generadas medidas correctas por el modelo del sistema del bloque. El valor de probabilidad puede ser formado ventajosamente por la significación. La significación \alpha de las últimas n mediciones puede ser determinada con ayuda de la función \chi^{2} (\alpha, n), especialmente en particular por el método de Gauss o del rectángulo o métodos de monitorización de Voter y de los n residuos pasados. Estas funciones pueden ser tomadas, por ejemplo, del libro "Taschenbuch der Mathematik", de Bronstein, vigesimoquinta edición, 1991, página 680. Según la invención se busca por tanto una avería sólo en las últimas n mediciones. Por consiguiente, una avería de sensor o del sistema en el procedimiento según la invención que es realizado antes de las últimas n etapas de tiempo ya no juega ningún papel en el estado de avería presente. Por el contrario, en los procedimientos conocidos en los que pueden ser tenidos en cuenta los estados de desviación o residuos de todas las etapas de tiempo pasadas, son evaluadas señales de sensor o el modelo del sistema, que ya están de nuevo libres de desviaciones, posiblemente que siguen siendo evaluados como averiados, de manera que todo el sistema está degradado.
Para la determinación del estado de avería en lugar de la significación puede también ser empleada la densidad de probabilidad de las últimas n mediciones. La determinación de la densidad de probabilidad se encuentra en la publicación "Applied Optimal Control", de A. Bryson, H. Yu-Chi, 1975, en las páginas 388 y 389 y puede ser adaptada a n mediciones. Además una estimación de la confianza del estado del sistema, esto es, una comprobación de si el estado del sistema se mueve con una probabilidad predeterminada en límites predeterminados puede ser empleada a través de las últimas n mediciones para determinar un estado de avería. La metodología de la estimación de la confianza se encuentra, por ejemplo, en el libro de Bronstein, "Taschenbuch der Mathematik", vigesimoquinta edición, 1991, páginas 684-686. Es pensable también utilizar otros procedimientos de reconocimiento de averías, como por ejemplo un test de hipótesis.
Según la invención se emplea pues un número de medida de la desviación y preferentemente un valor o número característico de probabilidad para la determinación del estado de avería. Por tanto, el criterio esencial es que el reconocimiento de avería se refiere a un intervalo predeterminado de n mediciones. Este intervalo representa la demora de tiempo con la que es reconocida una avería. El número predeterminado de mediciones para la determinación del estado de avería según la invención puede ser variable o ajustable dependiendo, por ejemplo, del estado de funcionamiento del sistema sensor o también del sistema de aplicación o del caso de aplicación. Un ajuste del número n puede también realizarse automáticamente. Por ejemplo, en estados de funcionamiento relativamente críticos el número n puede ser elegido pequeño respecto a estados de funcionamiento no críticos.
Para la evaluación del estado de avería son definidos según la invención dos límites o valores umbral, con los que es evaluado el estado de avería asociado por la probabilidad al estado de avería o el estado de avería del observador respectivo, es decir, el observador principal o el observador secundario o el primer u otro observador. Un primer valor umbral (valor umbral de diagnóstico) se refiere a si en el observador en cuestión se podría formar una desviación significativa. Un segundo valor umbral (valor umbral de avería) determina si el observador en cuestión es evaluado como averiado.
En la representación de la Fig. 3 se designan con "a" estados de avería que se sitúan por dentro, es decir por debajo del primer valor umbral, esto es observadores o combinaciones libres de averías, en los que tampoco pueden formarse lentamente una desviación. Observadores o combinaciones, cuyos estados de avería están situados en la zona entre el primer y el segundo valor umbral, se designan con "b". Además en la Fig. 3 los observadores con un estado de avería situado por encima del segundo valor límite, son designados con "c" y enmarcados en una cruz. Un observador con tal estado de error es clasificado como averiado. La formación de una desviación caracteriza en este contexto el aumento de una desviación en principio pequeña a través de una pluralidad de etapas de tiempo.
Según la invención la fusión de sensor trabaja basándose en una primera combinación de al menos un sensor y un modelo del sistema, mientras que el estado de avería se sitúa allí en la zona designada por a o b. La primera combinación de al menos un sensor y un observador se denominará a continuación simplemente combinación. Así, esta primera combinación puede ser también una combinación de al menos un sensor y un modelo del sistema, a la que el procedimiento de reconfiguración ya ha sido conmutada por el observador principal. Es decir, el primer observador o la primera combinación no tiene por qué ser el observador principal o la combinación principal o la combinación con el observador principal. Los estados del sistema determinados por la primera combinación son enviados al dispositivo de tratamiento de datos 14, 24.También a esta primera combinación vuelve el banco de observadores u otra combinación con un observador correspondiente siempre que esta primera combinación llegue desde otra zona a la zona a o b (es decir las desviaciones de estados pasados son menores que el primer o segundo valor umbral). Cuando la primera combinación o la combinación respectivamente activa se sitúe en una zona a o b, se tiene así el propio estado del sistema, es decir, los valores calculados por él son emitidos hacia fuera al dispositivo de tratamiento de datos 14, 24. El primer o también el segundo valor umbral puede ser considerado como criterio de calidad del valor de sensor determinado o de los sensores empleados o del modelo del sistema o puede también ser interpretado también como un límite de precisión que debe ser satisfecho por el estado del sistema.
En el ejemplo representado en la Fig. 3 el estado de avería de una primera combinación de al menos un sensor y un observador alcanza en la etapa de tiempo k+1 el valor b. El estado de avería se sitúa pues entre el primer y el segundo límite, es decir, entre el valor umbral de diagnóstico y de avería. El sistema de fusión de sensor según la invención interpreta este resultado como posibilidad de que en la primera combinación o la combinación principal en ese momento pudiera formarse una desviación significativa. En este instante, es decir, tras sobrepasarse el valor umbral de diagnóstico es activado el banco de observadores, es decir, otras combinaciones disponibles de al menos un sensor y al menos un observador. Esto se realiza de manera que una selección, o todas las otras combinaciones de al menos un sensor y al menos un observador, dicho en pocas palabras, otros observadores u observadores secundarios son activados y es inicializada con la primera combinación. La inicialización se refiere a un estado del sistema y preferiblemente al estado del sistema en conjunto, así como a los n-1 residuos pasados, que son importantes para la determinación de estados de avería futuros y son empleados por los observadores activados. En el instante k+1 se acomete, no obstante, únicamente una inicialización y la activación, aunque como antes el estado del sistema que ha sido determinado por el observador principal y no por el observador secundario, es suministrado al dispositivo de tratamiento de datos 14, 24.
Una activación de otra combinación y por ello una desactivación de la primera combinación con un observador principal o primer observador se lleva a cabo según la invención en el momento en que el estado de avería del primer observador se sitúa por encima del segundo valor límite. Esto se lleva a cabo en la Fig. 1 en el instante k+10, en el que la primera combinación posee un estado de avería c. En caso de tal suceso es activada otra combinación 32 de al menos un sensor y un observador, que en ese instante posee al menos un estado de avería predeterminado. Preferentemente el caso de avería predeterminado es la más favorable de las combinaciones aún disponibles.
En caso de que sólo dos combinaciones o sólo otra combinación estén disponibles puede realizarse sólo la activación de la segunda combinación. En caso de que el estado de avería de esta segunda combinación se sitúe el mismo por encima del segundo valor umbral, el sistema sensor es clasificado como averiado y se produce un mensaje de error correspondiente. En caso de que tras ser sobrepasado el segundo valor umbral por una primera combinación estén disponibles varias otras combinaciones, la selección de la configuración a ser activada se realiza en virtud a una secuencia predeterminada o según qué combinación posea en un instante predeterminado el estado de avería mejor. Este instante puede ser el instante en que es sobrepasado el segundo valor umbral por la primera combinación respectiva u otro instante, por ejemplo el transcurso de un intervalo de tiempo predeterminado tras este instante.
En el ejemplo mostrado en la Fig. 3, éste es el observador u observador secundario que emplea las señales LINS y TRN. En esta situación ha sido reconocida por tanto una avería de sensor GPS. SI un observador secundario tuviera un estado de avería a o b, se habría producido el caso muy improbable de que todos los sensores GPS, LINS y TRN estuvieran averiados y por tanto sería erróneo todo el banco de observadores o la combinación completa de al menos un sensor y un observador. Con ello puede ser emitido hacia fuera un aviso que indica que la salida del banco de observadores está averiada y, por tanto, no puede ser garantizada la integridad de la señal de salida.
En la siguiente etapa de tiempo es reinicializado entonces el observador principal por el observador LINS/TRN, es decir, el estado del sistema presente y los n-1 residuos o características de probabilidad del observador principal son sobrepasados con los valores del observador secundario que trabaja basado en LINS y TRN o los residuos que ha recibido el observador LINS/TRN en su inicialización. Puesto que en este ejemplo el estado de avería del observador principal determinado tiene el valor a y, por tanto, se ha supuesto que no se puede formar en el observador principal ninguna desviación que sobrepase la precisión necesaria (especificada), es desactivado el banco de observadores. Si el observador principal tuviera un estado de avería b esto conduciría en la etapa k+11 a una nueva activación del banco de observadores. En este caso se inicializaría el resto de observadores secundarios en la etapa k+11 por los valores del observador secundario LINS/TRN. Si el observador principal tuviera un estado de avería c, entonces se conmutaría inmediatamente tras la activación del banco de observadores al mejor observador secundario con el estado de avería a o b. Como en la etapa k+10 es válido también que cuando ningún observador secundario tiene un estado de avería a o b, se ha producido el caso muy improbable de que todos los sensores GPS, LINS y TRN están averiados y, por tanto, todo el banco de observadores estaría averiado. Con ello puede ser emitido hacia fuera un aviso que dice que la salida del banco de observadores está averiada y, por tanto, no puede ser garantizada la integridad de la señal de salida.
Por el procedimiento según la invención se consigue pues que también en caso de averías de sensores que se producen de vez en cuando o errores en el modelo del sistema, señales de sensor correctas o modelos del sistema antes y después de los errores de sensor o errores del sistema no sean rechazadas. Las señales de sensor correctas o modelos del sistema antes de avería interna son empleadas ya que antes de la avería interna se trabaja siempre sobre la base del filtro principal. Puesto que el banco de observadores es conmutado al observador principal tan pronto como los números característicos de probabilidad o residuos de las últimas n etapas dan por resultado un estado de avería a o b, se emplean señales de sensor y modelos del sistema correctos tras la avería interna.
Puesto que en un observador principal clasificado como averiado cuyos n-1 residuos pasados han sido sobrepasados con los residuos de aquel observador secundario que presenta respectivamente el número característico de probabilidad más favorable, la determinación del estado de avería se refiere siempre a un número predeterminado n de los últimos residuos de observador juzgados como correctos.
Esencial en el procedimiento según la invención es que para la determinación del estado de avería es empleada únicamente la desviación absoluta respecto a una secuencia temporal de valores de sensor de los valores determinados por el al menos un modelo del sistema. Con ello son reconocibles tanto averías que están asociadas a los dispositivos sensores (tanto hardware como software), así como también desviaciones que están asociadas al sistema.
El procedimiento según la invención puede ser aplicado a cualquier sistema sensor que se base en observadores, sustituyendo en el ejemplo de realización descrito los sensores mencionados, esto es LINS, GPS y TRN por otros sensores, combinaciones de sensores y modelos del sistema. Ejemplos de tales ámbitos de aplicación han sido representados en las figuras 1 y 2.

Claims (16)

1. Procedimiento de reconfiguración que está previsto para su implementación en un sistema computerizado, para la compensación de averías de un sistema sensor (1) con al menos dos observadores, que están formados, respectivamente, por al menos un sensor (2; 50) para la medición (12, 22) de estados de sistema de un sistema de aplicación (11, 21) y al menos un modelo del sistema (4) para la estimación de estados de sistema del sistema de aplicación para proporcionar estados del sistema a un dispositivo de tratamiento de datos (14, 24) asociado con una fiabilidad predeterminada, en el que para un primer observador a partir de valores de desviación son determinados estados de avería que resultan de la comparación de un número de estados medidos por medio del al menos un sensor con un estado estimado por medio del modelo del sistema, caracterizado porque al alcanzarse un primer valor umbral para las desviaciones es inicializado al menos otro observador con un número de desviaciones formadas para etapas de tiempo cubiertas para la determinación del estado de avería del otro observador, y porque los estados del sistema determinados por el otro observador son enviados al dispositivo de tratamiento de datos (14, 24) para tratamiento subsiguiente en el mismo, tan pronto como el primer observador ha alcanzado un segundo valor umbral.
2. Procedimiento de reconfiguración según la reivindicación 1, caracterizado porque al ser sobrepasado el primer valor umbral por el primer observador es seleccionado aquel otro observador que presenta las mínimas desviaciones de los estados del sistema a través de un espacio de tiempo predeterminado.
3. Procedimiento de reconfiguración según la reivindicación 1, caracterizado porque al ser sobrepasado el primer valor umbral por el primer observador es seleccionado el siguiente observador según una secuencia predeterminada.
4. Procedimiento de reconfiguración según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la primera combinación es inicializada por la otra combinación y envía los estados del sistema al dispositivo de tratamiento de datos (14, 24) para el tratamiento subsiguiente por el mismo, tan pronto como la primera combinación sobrepasa el primer valor umbral.
5. Procedimiento de reconfiguración según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la determinación de las desviaciones se realiza por medio de una estimación de la confianza.
6. Procedimiento de reconfiguración según la reivindicación 5, caracterizado porque la determinación de la estimación de la confianza se realiza por medio del método de Gauss o del rectángulo.
7. Sistema sensor para la determinación de estados externos de un sistema de aplicación (11) y su provisión a un dispositivo de tratamiento de datos (14) asociado, que comprende:
-
un sistema sensor (1) con al menos dos observadores (6) con respectivamente un sensor (2; 50) para la medición (12, 22) de estados del sistema de un sistema de aplicación (11, 21) y con al menos un modelo del sistema (4) para la estimación de estados del sistema del sistema de aplicación para la provisión de estados del sistema a un dispositivo de tratamiento de datos (14, 24) asociado con una fiabilidad predeterminada,
-
una unidad de cálculo (8) con funciones con las que pueden ser determinados para un primer observador estados de avería a partir de valores de desviación que resultan de la comparación de un número de estados medidos por el al menos un sensor con el estado estimado por medio del modelo del sistema,
caracterizado porque,
-
al alcanzarse un primer valor umbral para las desviaciones puede ser inicializado al menos otro observador con un número de desviaciones formadas en etapas de tiempo cubiertas para la determinación del estado de avería del otro observador,
-
los estados del sistema determinados por el otro observador pueden ser enviados al dispositivo de tratamiento de datos (14, 24) para el tratamiento subsiguiente en el mismo tan pronto como el primer observador ha alcanzado un segundo valor umbral.
8. Sistema sensor para la determinación de estados externos de un sistema de aplicación (11) según la reivindicación 7, caracterizado porque el sistema de aplicación es un vehículo.
9. Sistema sensor para la determinación de estados externos de un sistema de aplicación (11) según la reivindicación 7 u 8, caracterizado porque como estado externo es empleada la posición o situación del vehículo en el espacio.
10. Sistema sensor para la determinación de estados externos de un sistema de aplicación (11) según la reivindicación 7, 8, 9 ó 10, caracterizado porque el sistema sensor es un sistema de datos de aire.
11. Sistema sensor para la determinación de estados de funcionamiento de un sistema de aplicación (21) y su provisión a un dispositivo de tratamiento de datos (24) asociado, en el que el sistema sensor (1) presenta al menos un juego de observadores (6) con al menos un sensor (2) y un modelo del sistema para el sistema de aplicación (11), en el que están previstas funciones para la realización de las etapas de procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7.
12. Sistema sensor para la determinación de estados de funcionamiento de un sistema de aplicación (11) según la reivindicación 11, caracterizado porque el sistema de aplicación es un sistema de ajuste y los estados de funcionamiento son la posición y/o la velocidad de una servoválvula o actuador.
13. Sistema sensor para la determinación de estados de funcionamiento de un sistema de aplicación (11) según la reivindicación 11, caracterizado porque el sistema de aplicación es un sistema de ajuste y los estados de funcionamiento son presiones.
14. Sistema sensor para la determinación de estados de funcionamiento de un sistema de aplicación (11) según la reivindicación 11, caracterizado porque el sistema de aplicación es un sistema químico y los estados de funcionamiento son una temperatura de reacción, una concentración de sustancias que reaccionan entre sí o presiones.
15. Sistema sensor para la determinación de estados de funcionamiento de un sistema de aplicación (11) según la reivindicación 11, caracterizado porque el sistema de aplicación es un sistema eléctrico y los estados de funcionamiento son corrientes, tensiones, capacidades o propiedades de sustancias.
16. Sistema sensor para la determinación de estados externos de un sistema de aplicación (11) según una de las reivindicaciones 7 a 15, caracterizado porque el dispositivo de tratamiento de datos (14) es un monitor.
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