RU2099766C1 - Method for functional diagnostics of linear control systems - Google Patents
Method for functional diagnostics of linear control systems Download PDFInfo
- Publication number
- RU2099766C1 RU2099766C1 RU93012586A RU93012586A RU2099766C1 RU 2099766 C1 RU2099766 C1 RU 2099766C1 RU 93012586 A RU93012586 A RU 93012586A RU 93012586 A RU93012586 A RU 93012586A RU 2099766 C1 RU2099766 C1 RU 2099766C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- integrators
- coefficients
- inputs
- input
- fed
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Testing And Monitoring For Control Systems (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области автоматики и может найти применение в системах контроля и поиска неисправностей линейных систем автоматического управления. The invention relates to the field of automation and can find application in monitoring systems and troubleshooting of linear automatic control systems.
Известен способ диагностирования линейных динамических объектов, поиск неисправностей по которому осуществляется в предположении, что в объекте могут иметь место только одиночные неисправности (авторское свидетельство СССР N 1462254, кл. G 05 D 23/02, 1987). Появление кратных дефектов может приводить при реализации данного способа к ошибкам диагностирования. There is a known method for diagnosing linear dynamic objects, the troubleshooting of which is carried out under the assumption that only single faults can occur in the object (USSR author's certificate N 1462254, class G 05 D 23/02, 1987). The occurrence of multiple defects can lead to diagnostic errors during the implementation of this method.
Наиболее близким к предлагаемому способу техническим решением является способ диагностирования линейных динамических объектов (А. с. СССР N 1300419, кл. G 05 B 23/02, 1987), основанный на использовании контрольного соотношения следующего вида:
где aki, bki коэффициенты передаточной функции 1-го динамического элемента, входящего в диагностируемую систему, вид передаточной функции которого принимается:
k максимальный порядок передаточной функции; γ параметр, характеризующий инерционные свойства контрольного устройства; mi - коэффициенты, определяющие вклад каждого звена в контрольное соотношение.Closest to the proposed method, the technical solution is a method for diagnosing linear dynamic objects (A. s. USSR N 1300419, class G 05 B 23/02, 1987), based on the use of a control ratio of the following form:
where a ki , b ki are the coefficients of the transfer function of the 1st dynamic element included in the diagnosed system, the form of the transfer function of which is taken:
k maximum transfer function order; γ parameter characterizing the inertial properties of the control device; m i are the coefficients that determine the contribution of each link to the control ratio.
Применение способа ограничено рассмотрением неисправностей, искажающих один из коэффициентов всей совокупности контролируемых динамических элементов. Однако реальный конструктивный дефект элемента в подавляющем большинстве случаев приводит к одновременному изменению значений нескольких коэффициентов передаточной функции (например, изменение сопротивления изоляции конденсатора ПИ-регулятора приводит к одновременному изменению коэффициента усиления и постоянной времени). Поэтому при отклонении от номинала нескольких коэффициентов возможны ошибки в определении места дефекта. The application of the method is limited to considering malfunctions that distort one of the coefficients of the entire set of controlled dynamic elements. However, the real structural defect of the element in the vast majority of cases leads to a simultaneous change in the values of several coefficients of the transfer function (for example, a change in the insulation resistance of the PI controller capacitor leads to a simultaneous change in the gain and time constant). Therefore, when deviating from the nominal value of several coefficients, errors in determining the location of the defect are possible.
Реализация для контроля работоспособности соотношения (1) может привести к выводу, что система работоспособна, когда в ней возникают кратные дефекты. Покажем это на примере. Рассмотрим структурную схему системы, представленную на фиг. 1. Implementation of the relation (1) for monitoring the operability can lead to the conclusion that the system is operable when multiple defects occur in it. We show this by example. Consider the structural diagram of the system shown in FIG. one.
Пусть контролируются все три звена с передаточными функциями a1, a2, a3 (безынерционные звенья). В этом случае необходимо контролировать сигналы e x1, x2, x3. Пусть номинальные значения параметров a1 a2 a3 1. Передаточная функция замкнутой системы
Применим контрольное соотношение вида (1), для простоты примем, что контрольное устройство безынерционно ( γ 0):
D = (x1-ε•a1)+(x2-x1•a2)+(x3-a3x1) (2)
Определим реальные сигналы для этого случая:
где g значение входного сигнала.Let all three links with transfer functions a 1 , a 2 , a 3 (inertialess links) be controlled. In this case, it is necessary to control the signals ex 1 , x 2 , x 3 . Let the nominal values of the parameters a 1 a 2 a 3 1. The transfer function of a closed system
We apply the control relation of the form (1), for simplicity we assume that the control device is inertialess (γ 0):
D = (x 1 -ε • a 1 ) + (x 2 -x 1 • a 2 ) + (x 3 -a 3 x 1 ) (2)
Define real signals for this case:
where g is the value of the input signal.
Подставим полученные значения в соотношение (2):
Пусть теперь в системе возникли кратные дефекты и параметры приняли новые значения
α1= a1,α2= a2+Δa;α3= a3-Δa.
Примем Δa 0,5. Передаточная функция замкнутой системы при наличии двух неисправностей будет иметь значение:
т. е. W3 > W3ном и система потеряла работоспособность. Определим реальные сигналы для этого случая
Подставим полученные значения сигналов в контрольное соотношение (2):
Использование контрольного соотношения вида (2) приводит к ошибке контроля. Система считается работоспособной, хотя значение передаточной функции замкнутой системы изменилось на 100%
Легко обобщить полученные результаты и на коэффициенты при ненулевых степенях P (постоянные времени). Появление пары кратных дефектов для постоянных времени также приводит к их компенсации, поскольку в сумму контрольного соотношения соответствующие им слагаемые войдут с противоположными знаками.Substitute the obtained values in relation (2):
Let now multiple defects appear in the system and the parameters take new values
α 1 = a 1 , α 2 = a 2 + Δa; α 3 = a 3 -Δa.
Take Δa 0.5. The transfer function of a closed system in the presence of two faults will matter:
i.e., W 3 > W 3nom and the system has lost working capacity. Define real signals for this case
Substitute the obtained signal values in the control relation (2):
Using a control relation of the form (2) leads to a control error. The system is considered operational, although the value of the transfer function of a closed system has changed by 100%
It is easy to generalize the results obtained to coefficients for nonzero powers of P (time constants). The appearance of a pair of multiple defects for time constants also leads to their compensation, since the corresponding terms will be included in the sum of the control relation with opposite signs.
Контрольное соотношение в известном способе вычисляется с помощью совокупности интеграторов неограниченное (а значит, длительное время). При наличии дрейфа нулей операционных усилителей и интегрировании ошибок из-за неадекватной объекту модели контрольный параметр может превысить пороговое значение в случае отсутствия дефектов. The control ratio in the known method is calculated using a set of integrators unlimited (and therefore, a long time). In the presence of a zero drift of operational amplifiers and integration of errors due to an inadequate model object, the control parameter may exceed the threshold value in the absence of defects.
Кроме того, известный способ обладает еще одним существенным недостатком, который очевиден из следующих рассуждений. In addition, the known method has another significant drawback, which is obvious from the following reasoning.
В выражении (1) примем n 1 (контроль одного звена), γ 0 (безынерционное контрольное устройство). Представим сигнал D в следующем виде:
D = Fay(t)-Fbx(t), (3)
где y(t) выходной сигнал звена;
x(t) входной сигнал звена;
Fa, Fb линейные операторы следующего вида:
При отсутствии неисправностей в звене и адекватной модели имеем
Пусть изменение технического состояния звена привело к изменению выходного сигнала y' y + Δy.In expression (1), we take n 1 (control of one link), γ 0 (inertialess control device). Imagine the signal D in the following form:
D = F a y (t) -F b x (t), (3)
where y (t) is the output signal of the link;
x (t) link input;
F a , F b linear operators of the following form:
In the absence of malfunctions in the link and an adequate model, we have
Let the change in the technical condition of the link lead to a change in the output signal y 'y + Δy.
В этом случае
Δ′ = Fay′-Fbx = Fay+FaΔy-Fbx = FaΔy.
То есть величина контрольного сигнала определяется коэффициентами диагностической модели ai и сигналом Δy который, в свою очередь, зависит от входного сигнала x. Таким образом, при одном и том же отклонении коэффициентов контролируемого звена от номинала, но для разных уровней входного сигнала значение y будет различно. Это обстоятельство затрудняет использование известного способа для функционального диагностирования. Оптимальным в этом смысле было бы такое контрольное устройство, выходной сигнал которого был бы пропорционален степени отклонения коэффициентов передаточной функции от номинала и не зависел бы от амплитуды входного сигнала.In this case
Δ ′ = F a y′-F b x = F a y + F a Δy-F b x = F a Δy.
That is, the value of the control signal is determined by the coefficients of the diagnostic model a i and the signal Δy which, in turn, depends on the input signal x. Thus, with the same deviation of the coefficients of the monitored link from the nominal, but for different levels of the input signal, the value of y will be different. This fact makes it difficult to use the known method for functional diagnosis. In this sense, an optimal control device would be the one whose output signal would be proportional to the degree of deviation of the transfer function coefficients from the nominal value and would not depend on the amplitude of the input signal.
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, - расширение функциональных возможностей способа и повышение достоверности диагностирования. The technical problem to which the invention is directed is to expand the functionality of the method and increase the reliability of diagnosis.
Указанная задача решается тем, что в способе функционального диагностирования линейных систем управления, основанном на использовании динамической модели системы, многократном суммировании и интегрировании входных и выходных сигналов линейных блоков, согласно изобретению, фиксируют временной интервал диагностирования Δtg, равный длительности переходного процесса системы, временной интервал Δt, равный наибольшему времени переходного процесса по всей совокупности блоков, подают входной и выходной сигналы замкнутой системы управления на динамическую модель этой системы, сигналы с выхода модели многократно суммируют и интегрируют с нулевыми начальными условиями за время Δtg контрольный сигнал после (m + 1)-го суммирования, где m порядок системы, используют для контроля работоспособности всей системы управления путем сравнения с заранее заданным пороговым значением, перечисленные операции повторяют периодически, в случае превышения контрольным сигналом порогового значения принимают решение о наличии одного или нескольких дефектов в системе, входной и выходной сигналы каждого блока системы подают на его динамическую модель, с выхода которой поочередно суммируют и интегрируют K раз с нулевыми начальными условиями за интервал Δt, определяют для каждого блока значение контрольного сигнала и путем сравнения с пороговым значением определяют наличие дефекта в блоке. This problem is solved by the fact that in the method of functional diagnosis of linear control systems based on the use of a dynamic model of the system, multiple summing and integration of input and output signals of linear blocks, according to the invention, the diagnostic time interval Δtg equal to the duration of the system transition process, the time interval Δt equal to the longest transient time across the entire set of blocks, the input and output signals of a closed control system are supplied to the dynamic model of this system, the output signals of the model are repeatedly summed and integrated with zero initial conditions during the Δtg control signal after the (m + 1) th summation, where m is the system order, they are used to monitor the operability of the entire control system by comparing with a predetermined threshold value, the above operations are repeated periodically, if the control signal exceeds the threshold value, a decision is made about the presence of one or more defects in the system, the input and output signals each block of the system is fed to its dynamic model, from the output of which they are summed and integrated K times with zero initial conditions for the interval Δt, the control signal value is determined for each block and the presence of a defect in the block is determined by comparison with the threshold value.
Предлагается новая совокупность действий для решения поставленной задачи расширение функциональных возможностей способа и повышение достоверности диагностирования:
1. Определяют номинальные значения коэффициентов передаточной функции замкнутой системы автоматического управления αi, βi и коэффициенты передаточных функций входящих в систему блоков aij, bij.A new set of actions is proposed to solve the problem, expanding the functionality of the method and increasing the reliability of diagnosis:
1. Determine the nominal values of the transfer coefficients of the closed-loop automatic control system α i , β i and the transfer coefficients of the blocks included in the system a ij , b ij .
2. Определяют длительность переходного процесса системы tn.2. Determine the duration of the transient system t n .
3. С целью исключения влияния дрейфа нуля операционных усилителей интеграторов проверку работоспособности производят периодически с предварительной установкой нулевых начальных условий интеграторов. Время включения интеграторов (длительность вычисления Δ) устанавливают равным длительности переходного процесса tn, что позволяет учесть все особенности динамики контролируемой системы.3. In order to exclude the influence of zero drift of the operational amplifiers of the integrators, the performance check is carried out periodically with the preliminary setting of zero initial conditions of the integrators. The turn-on time of the integrators (calculation duration Δ) is set equal to the duration of the transient process t n , which allows you to take into account all the features of the dynamics of the controlled system.
4. Контрольный сигнал D получают путем реализации на интегро-сумматорах соотношения
где Fa, Fb операторы, определяемые выражениями (4).4. The control signal D is obtained by implementing the ratio on the integro-adders
where F a , F b are the operators defined by expressions (4).
В выражении (5) в числителе записано контрольное соотношение, используемое в известном способе, а знаменатель может быть представлен в другом виде:
где Y0(t) значение выходного сигнала при отсутствии неисправностей (поскольку FaY0(t)≡ Fb•X(t). Подставляя в (6) и учитывая тождество, получим:
Таким образом, контрольное соотношение (5) представляет собой относительное интегральное изменение выходного сигнала звена, которое уже не зависит от амплитуды входного сигнала, а определяется степенью изменения технического состояния.In the expression (5) in the numerator is written the control ratio used in the known method, and the denominator can be represented in another form:
where Y 0 (t) is the value of the output signal in the absence of faults (since F a Y 0 (t) ≡ F b • X (t). Substituting in (6) and taking into account the identity, we obtain:
Thus, the control relation (5) represents the relative integral change in the output signal of the link, which no longer depends on the amplitude of the input signal, but is determined by the degree of change in the technical condition.
Реализация контрольного соотношения представлена на фиг. 2, где 1 - контролируемый блок; 2, 3 блоки, содержащие интегро-сумматоры, реализующие соотношения (4), 4 делительное устройство. На фиг. 3, 4 показана реализация блоков 2 и 3 соответственно. The implementation of the control ratio is shown in FIG. 2, where 1 is a controlled unit; 2, 3 blocks containing integro-adders that implement relations (4), 4 dividing device. In FIG. 3, 4 show the implementation of
5. Поиск неисправностей начинают только в том случае, когда значение сигнала Δ по модулю превысило предварительно установленное пороговое значение Dmax
6. Поиск неисправностей осуществляют путем поочередного определения контрольных сигналов Δi для каждого из звеньев, входящих в систему:
где n число контролируемых динамических элементов.5. The troubleshooting start only when the value of the signal Δ modulo exceeded the preset threshold value D max
6. Troubleshooting is carried out by alternately determining the control signals Δ i for each of the links included in the system:
where n is the number of controlled dynamic elements.
При превышении Δi порогового значения Δmax считают 1-й элемент неисправным.If Δ i exceeds the threshold value Δ max , the 1st element is considered faulty.
7. Время определения контрольного соотношения (время интегрирования) устанавливают равным наибольшей длительности переходного процесса по всей совокупности динамических элементов. 7. The time for determining the control relation (integration time) is set equal to the greatest duration of the transient process over the entire set of dynamic elements.
Реализация указанной последовательности действий позволяет определять неисправности произвольной кратности и лучше учитывает особенности проявления дефектов отдельных блоков (при одновременном изменении коэффициентов). Периодичность контроля позволяет устранить накопление погрешностей аналоговыми устройствами схемы контроля. The implementation of this sequence of actions allows us to determine malfunctions of arbitrary multiplicity and better takes into account the peculiarities of the manifestation of defects of individual blocks (with a simultaneous change in the coefficients). The frequency of control eliminates the accumulation of errors by analog devices of the control circuit.
Сравнение изложенной выше совокупности действий (1 7) над объектом диагностирования с прототипом приводит к выводу, что все 7 операций по отдельности, а значит, тем более и их совокупность, отсутствуют в прототипе и в известном уровне техники. Comparison of the above set of actions (1 7) on the object of diagnosis with the prototype leads to the conclusion that all 7 operations separately, and therefore, especially their combination, are absent in the prototype and in the prior art.
Способ функционального диагностирования осуществляют следующим образом. The method of functional diagnosis is as follows.
Рассмотрим объект диагностирования со структурной схемой, представленной на фиг. 1. Пусть a1ном a2ном a3ном 1. Номинальное значение передаточной функции замкнутой системы:
При контроле работоспособности системы периодически контролируются сигналы g и x2 системы, вычисляется контрольное соотношение вида
Δ = (0,5g-x2)/0,5g. и сравнивается с заранее установленным пороговым значением Δmax Примем Δmax= 0,1
Рассмотрим теперь появление в системе кратных дефектов
α1= a1ном;α2= a2ном+Δa;α3= a3ном-Δa,Δa = 0,5
Этот случай был проанализирован ранее применительно к прототипу. Передаточная функция замкнутой системы при наличии дефектов будет иметь значение
Реально контролируемый сигнал в этом случае будет иметь значение:
Подставим эту величину в контрольное соотношение и получим:
Δ = (0,5g-g)/0,5g>Δmax
Поскольку выносим решение о наличии одного или нескольких дефектов в системе и приступаем к их поиску. Для этого контролируем сигналы ε x1, x2, x3 и подставляем их в соответствующие контрольные соотношения. Реально контролируемые сигналы будут иметь значения:
Подставим полученные значения сигналов в соответствующие контрольные соотношения:
Сравнивая с пороговым значением Δmax выносим решение о наличии неисправностей в блоках 2 и 3.Consider a diagnostic object with a block diagram shown in FIG. 1. Let a 1nom a 2nom a 3nom 1. The nominal value of the transfer function of a closed system:
When monitoring the health of the system, the signals g and x 2 of the system are periodically monitored, a control relation of the form is calculated
Δ = (0.5g-x 2 ) / 0.5g. and compared with a predetermined threshold value Δ max Take Δ max = 0.1
We now consider the appearance of multiple defects in the system
α 1 = a 1nom ; α 2 = a 2nom + Δa; α 3 = a 3nom -Δa, Δa = 0.5
This case has been analyzed previously in relation to the prototype. The transfer function of a closed system in the presence of defects will matter
A really controlled signal in this case will matter:
Substitute this value in the control ratio and get:
Δ = (0.5g-g) / 0.5g> Δ max
Because the we make a decision on the presence of one or more defects in the system and proceed to their search. To do this, we control the signals ε x 1 , x 2 , x 3 and substitute them in the corresponding control ratios. Actually controlled signals will have the following meanings:
Substitute the obtained signal values in the corresponding control ratios:
Comparing with the threshold value Δ max we make a decision on the presence of malfunctions in
Отметим, что значения Δ2 и Δ3 при наличии дефектов не зависят от уровня входного сигнала и определяются степенью отклонения коэффициента от номинала.Note that the values of Δ 2 and Δ 3 in the presence of defects do not depend on the level of the input signal and are determined by the degree of deviation of the coefficient from the nominal.
На фиг. 5 представлены результаты моделирования на ПЭВМ диагностирования объекта, описываемого колебательным звеном с передаточной функцией вида
а в качестве дефекта рассматривалось отклонение постоянной времени T1 на 100 и 200% На графике по оси абсцисс показана амплитуда входного сигнала, а по оси ординат: Δ1 максимальное на интервале моделирования значение контрольного сигнала при диагностировании по прототипу; Δ2 максимальное значение контрольного сигнала при диагностировании по предлагаемому способу. Графики иллюстрируют достоинство предлагаемого способа независимость контрольного сигнала от амплитуды входного сигнала. Зависимости соответствуют отклонению T1 на 100% зависимости - отклонению T1 на 200% Таким образом, максимальное значение контрольного сигнала, полученного по предлагаемому способу, не зависит от амплитуды входного сигнала и пропорционально степени отклонения параметра передаточной функции от номинального значения.In FIG. 5 presents the results of simulation on a PC of diagnosing an object described by an oscillating link with a transfer function of the form
and as a defect, the deviation of the time constant T 1 by 100 and 200% was considered. The graph on the abscissa shows the amplitude of the input signal, and on the ordinate: Δ 1 the maximum value of the control signal in the simulation interval when diagnosing by prototype; Δ 2 the maximum value of the control signal when diagnosing the proposed method. The graphs illustrate the advantage of the proposed method, the independence of the control signal from the amplitude of the input signal. Dependencies correspond to the deviation T 1 100% dependence - deviation of T 1 by 200% Thus, the maximum value of the control signal obtained by the proposed method does not depend on the amplitude of the input signal and is proportional to the degree of deviation of the parameter of the transfer function from the nominal value.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93012586A RU2099766C1 (en) | 1993-03-09 | 1993-03-09 | Method for functional diagnostics of linear control systems |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93012586A RU2099766C1 (en) | 1993-03-09 | 1993-03-09 | Method for functional diagnostics of linear control systems |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU93012586A RU93012586A (en) | 1996-08-27 |
RU2099766C1 true RU2099766C1 (en) | 1997-12-20 |
Family
ID=20138313
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU93012586A RU2099766C1 (en) | 1993-03-09 | 1993-03-09 | Method for functional diagnostics of linear control systems |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2099766C1 (en) |
-
1993
- 1993-03-09 RU RU93012586A patent/RU2099766C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
SU, авторское свидетельство, 1300419, кл. G 05B 23/02, 1987. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6278962B1 (en) | Hybrid linear-neural network process control | |
US9489619B2 (en) | Method for the computer-assisted modeling of a technical system | |
US6240343B1 (en) | Apparatus and method for diagnosing an engine using computer based models in combination with a neural network | |
US5740324A (en) | Method for process system identification using neural network | |
CA1231447A (en) | Rule based diagnostic system with dynamic alteration capability | |
EP1543394A1 (en) | Method and device for monitoring a technical installation comprising several systems, in particular an electric power station | |
US20010025232A1 (en) | Hybrid linear-neural network process control | |
KR101698385B1 (en) | Method For Predicting Disorder Of Tower Crane By Using Data Mining | |
CN109991956B (en) | Method for predicting steady-state fault of liquid rocket engine | |
US6480750B2 (en) | Controlling system and method for operating a controlling system | |
RU2099766C1 (en) | Method for functional diagnostics of linear control systems | |
Ismeal et al. | DC motor identification based on Recurrent Neural Networks | |
Guimarãaes et al. | Flow of information through an artificial neural network | |
Chan et al. | Online fault detection and isolation of nonlinear systems | |
Koppen-Seliger et al. | Residual evaluation for fault detection and isolation with RCE neural networks | |
Gan et al. | Fault diagnosis of the IFAC Benchmark Problem with a model-based recurrent neural network | |
Ankireddi et al. | Neural networks for sensor fault correction in structural control | |
Awad | Fuzzy PID Gain Scheduling Controller for Networked Control System | |
JP2645017B2 (en) | Plant diagnostic method and apparatus | |
JP2756170B2 (en) | Neural network learning circuit | |
Jiang et al. | Design of a real-time knowledge-based controller with applications in hydraulic turbine generator systems | |
Palma et al. | Adaptive observer based fault diagnosis approach applied to a thermal plant | |
JPH03204003A (en) | Method and device for estimated control | |
Goulard et al. | IMPLEMENTATION OF A PARALLEL PROCESSING ARCHITECTURE IN AN INTEGRATED REMOTE MONITORING SYSTEM | |
JP2633378B2 (en) | Self-failure occurrence / learning device |