Дипломная работа: Диагностика отказов системы регулирования уровня в баке

Представление системы со всеми возможными отказами в виде передаточной матрицы вход-выход имеет вид:

,                       (2.10)

где

                                 (2.11)

2.3.4. Общая структура формирования рассогласования в диагностике отказов, основанной на моделях

Наиболее часто используемые методы диагностики предполагают использование априорной информации о характеристиках определенных сигналов (т.е. амплитуды и частотных свойств). Например, мы можем контролировать уровень или динамический диапазон сигнала, максимальную скорость изменения и его спектр. Основными недостатками данной группы методов являются:

­     необходимость априорной информации о характеристиках сигналов;

­     недоступная зависимость этих характеристик от режима работы системы, который априорно неизвестен и может меняться заблаговременно.

Для устранения недостатков традиционных методов наиболее очевидным вкладом в современные методы, основанные на моделях, является использование рассогласований, которые не зависят от режима работы системы, а реагируют только на отказы в характеристических свойствах. Рассогласования являются количественными, что представляет несоответствие между переменными реальной системы и математической моделью. Основанные на математической модели многие инвариантные (неизменяемые) связи (динамические или статические) между различными переменными системы могут быть вторичными (производными), и любые нарушения этих связей могут быть использованы как рассогласования.

Формирование рассогласования может быть выполнено в терминах структуры избыточного сигнала, как представлено на рисунке 2.9. В этой структуре система (процессор или алгоритм) F1(u,y) генерирует вспомогательный (избыточный) сигнал z, который вместе с y генерирует рассогласование r, удовлетворяющее следующему инвариантному отношению при отсутствии отказа:

r(t) = F2 (y(t), z(t)) = 0.                                        (2.10)

Когда в системе возникает отказ эта инвариантная связь будет нарушена и рассогласование будет отличаться от нуля.

Рис. 2.9. Структура избыточного сигнала в формировании рассогласования

Простейшим методом формирования рассогласования является использование системы дубликата т.е. система F1 формируется идентичной реальной модели системы. Она имеет такой же как и система выходной сигнал. В этом случае, в блоке F1 сигнал y не требуется. Блок F1 в этом случае является имитатором системы. Сигнал z – это имитируемый выход системы, а рассогласованием является отличие между z и y. Основным преимуществом данного метода является его простота. Основным недостатком является то, что, когда исследуемая система неустойчива, стабильность имитатора не может быть гарантирована. Это является следствием того, что для диагностики отказов используется модель разомкнутой системы (рисунок 2.3).

Рис. 2.10. Формирование рассогласования с имитатором системы

Прямым продолжением генерации рассогласования, основанной на использовании имитатора, является замена имитатора оценщиком выхода, который требует знания как входа, так и выхода системы. В этом случае, система F1(u,y) для формирования оценки линейной функции выхода y - My требует сигналы u и y, а система F­2 может быть определена как F2(y,z) = Q(z - My), где Q статическая (или динамическая) весовая матрица.

Независимо от используемого типа метода, формирователь рассогласования является только линейным обрабатывающим устройством, на вход которого подаются вход и выход системы, за которой осуществляется мониторинг. Общая структура формирователя рассогласования представлена на рисунке 2.11.

Рис.2.11. Общая структура формирования рассогласования

Структура формирователя рассогласования математически выражается так:

                   (2.11)

где Hu(s) и Hy(s) – передаточные матрицы, которые могут быть спроектированы с использованием устойчивой линейной системы. В соответствии с определением, рассогласование r(t) должно быть спроектировано таким образом, чтобы равняться нулю при отсутствии отказа и отличаться от нуля в случае отказов. Это означает, что

r(t)= 0 только если f(t) = 0 .                               (2.12)

Чтобы выполнялось уравнение 2.12, проектируемые передаточные матрицы Hu(s) и Hy(s) должны удовлетворять условиям:

.                      (2.13)

Уравнение (2.11) – это обобщенное представление всех формирователей рассогласования. Проектирование формирователя рассогласования происходит просто в результате выбора передаточных матриц Hu(s) и Hy(s), которые должны удовлетворять уравнению (2.13). Различные пути формирования рассогласований соответствуют различным параметрам Hu(s) и Hy(s). Используя свободу проектирования, можно выбрать желаемое выполнение рассогласования соответствующим выбором Hu(s) и Hy(s).

После формирования рассогласования, простейший и наиболее часто используемый путь выявления отказов - выполнение прямого сравнения сигнала рассогласования r(t) или функции рассогласования J (r(t)) с фиксированным порогом є или с пороговой функцией :

                   (2.14)

где f(t) – общий вектор отказов, определенный в уравнении 2.9. Если рассогласование превышает порог, значит, произошел отказ.

Существует много путей определения функций оценки и порогов. Например, оценочная функция рассогласования может быть выбрана как норма вектора рассогласования, а порог можно выбрать как постоянную положительную величину (фиксированный порог).

2.3.5. Выявляемость отказов

Когда в процессе, за которым осуществляется мониторинг, возникает отказ, реакция рассогласования на него определяется так:

,                             (2.15)

где определяется как передаточная матрица отказов, представляющая соответствие между рассогласованиями и отказами,  - i-ая колонка передаточной матрицы , а fi(s) – i-ый компонент f(s). (рисунок 2.12).

Рис. 2.12. Отказы и рассогласования

Условие выявляемости отказов

Передаточная матрица играет важную роль в диагностике и должна быть детально исследована. Для того, чтобы выявить i-ый отказ fi в рассогласовании r(s), i-ая колонка  передаточной матрицы  должна быть не равна нулю:

 ≠ 0.                                                         (2.16)

Если это условие выполняется, i-ый отказ f­i можно выявить в рассогласовании r(t). Это условие определяется как условие выявляемости отказа рассогласования r к отказу fi.

Строгое условие выявляемости отказов

Выполнение условия выявляемости отказов не является достаточным для выполнения выявления отказов. Поэтому, вводится строгое условие выявляемости:

 ≠ 0,                                                        (2.17)

Если это условие выполняется, то i – ый отказ строго выявляем в рассогласовании r.

2.3.6. Изолируемость отказов

За успешным выявлением отказов следует процедура изоляции отказа, в результате которой отказ отделяется (изолируется) от других отказов. В то время как один сигнал рассогласования достаточен для выявления отказов, для изоляции отказов обычно требуется несколько сигналов рассогласований (или вектор рассогласований). Если отказ отличим от других отказов с использованием одной группы отказов (или вектора рассогласования), то можно сказать, что этот отказ изолируем с использованием этой группы рассогласований (или этого вектора рассогласований). Если вектор рассогласования может изолировать все отказы, то можно сказать что этот вектор рассогласований обладает требуемым свойством изолируемости.

 

2.3.6.1. Структурирование рассогласований

Одним из методов решения задачи изоляции отказов является проектирование группы рассогласований. Каждое рассогласование проектируется чувствительным к нескольким отказам, при этом оставшиеся рассогласования группы нечувствительны к оставшимся отказам. Построение группы рассогласований, которые должны быть чувствительны к отдельным отказам и нечувствительны к другим отказам известно как структурирование рассогласований.

Процедура проектирования включает в себя два этапа:

­     первый определить чувствительные и нечувствительные отношения между рассогласованиями и отказами, соответствующими заданной задаче изоляции;

­     второй спроектировать множество формирователей рассогласований в соответствии с принятыми чувствительными и нечувствительными взаимосвязями.

Преимуществом структурирования рассогласований является то, что диагностика упрощается. При этом диагностика заключается в том, чтобы определить какое рассогласование не равно нулю. Для этого отдельно для каждого рассогласования можно выполнить пороговый тест, создавая логическую таблицу решений. С помощью этой таблицы задача изоляции отказов может быть полностью решена.

Если все возможные отказы являются изолируемыми, то группа рассогласований может быть спроектирована в соответствии со следующими условиями чувствительности к отказам:

ri (t) = R(fi (t)); iÎ{1,2 … g},                                        (2.18)

где R( ) обозначает функциональное отношение. Это называется группой рассогласований Кларка по которой строится схема наблюдателей Кларка, предложенная Кларком (1978г.). Для принятия решения о возникновении определенного отказа может быть использована простая пороговая логика:

ri(t)> Ti  => fi(t) ≠ 0, iÎ{1,2 … g},                                (2.19)

где Ti (i=1,2 … g) пороги. Эта структура изолируемых рассогласований очень проста, все отказы могут выявляться одновременно, однако для проектирования на практике эта схема сложна. Даже когда такая совокупность рассогласований может быть спроектирована, обычно при этом не остается свободы проектирования для выполнения других требований, например, устойчивости к ошибкам моделирования.

Наиболее часто используемая и лучшая схема при проектировании совокупности – схема в которой каждое рассогласование чувствительно ко всем отказам, за исключением одного:

   ,                      (2.20)

Эта схема называется группой рассогласований Франка (Франк, 1987). Если все рассогласования группы рассогласований Франка формируются с использование блока наблюдателей (формирование рассогласований с использованием наблюдателей), то такая структура называется схемой наблюдателей Франка. Изоляция отказов так же может быть выполнена с использованием простого порогового тестирования в соответствии со следующей логикой:

              (2.21)

для i=1,2 … g.

В качестве простого примера рассмотрим изоляцию трех различных отказов {f1, f2, f3}. Проектирование группы рассогласований может быть выполнено двумя различными способами как изображено на рисунке 2.13. Отказы можно уникально изолировать так же двумя различными методами ((2.19) или (2.20)).

а) схема Кларка                      б) схема Франка

Рис. 2.13. Группа рассогласований, построенная по схемам Кларка и Франка

2.3.6.2. Фиксирование направления вектора рассогласования

Альтернативным путем выполнения изоляции отказов является проектирование направлений вектора рассогласования, который лежит в фиксированном и специальном для отказа направлении (или субпространстве) в пространстве рассогласований, в соответствии с определенным отказом. Если сделать:

r(t| fi(t)) = αi(t)li;  iÎ{1,2 … g},                                     (2.22)

где постоянный вектор li сигнатура направления i-го отказа в пространства рассогласований, а = αi – скаляр, который зависит от размера отказа и динамики. С фиксацией направления рассогласования, задача изоляции отказа заключается в определении того, в каком из известных направлений сигнатур отказа лежит вектор генерируемого рассогласования. Чтобы достоверно изолировать отказы, каждая сигнатура отказа должна быть уникально связана с отказом. На рисунке 2.14 изображен метод изоляции отказов с использованием вектора рассогласования в котором рассогласование связано с направлением сигнатуры отказа f2 и, следовательно, в системе наиболее вероятен отказ f2.

Рис. 2.14. Направленный вектор рассогласования для изоляции отказа

2.3.6.3. Изоляция отказов датчиков и исполнительных механизмов

Если нам необходимо выявить только отказы датчиков, то выход системы может быть задан так:

y(s) = Gu(s)u(s) + fs(s).                                        (2.23)

Если мы хотим спроектировать сигнал рассогласования, чувствительный только к одной группе отказов fs1(s)  и нечувствительным к другой группе отказов fs2(s), вышеприведенное уравнение может быть переписано так:

.                               (2.24)

Тогда генератор рассогласования примет следующий вид:

r1(s) = Hu1(s) u(s)+ Hy1(s)y1(s).                            (2.25)

При подстановке y1(s) в это уравнение получим:

r1(s) = [Hu1(s) + Hy1(s)G­u(s)]u(s) + Hy1(s)fs1(s).              (2.26)

Рассогласование будет чувствительно только к одной группе отказов fs1(s), когда матрицы передаточной функции генератора рассогласования будут удовлетворять следующим условиям:

                        (2.27)

Это обычное требование для генератора рассогласования. Передаточная матрица Hy1(s) может быть выбрана свободно в соответствии со специальными требованиями. Единственное условие состоит в том, что Hy1(s) должна быть устойчива и реализуема. После выбора Hy1(s) можно определить Hu1(s) в соответствии с формулой Hu1(s)=- Hy1(s)Gu(s). Передаточная матрица Hy1(s) может быть выбрана свободно, поэтому изоляция отказов датчиков всегда возможна.

При возникновении в системе отказа исполнительного механизма, выход системы определяется так:

y(s) = Gu(s)(u(s) + fa(s)),                              (2.28)

Если мы хотим спроектировать сигнал рассогласования, чувствительный к одной группе отказов fa1(s) и нечувствительный к другой группе отказов fa2(s), то вышеприведенное уравнение будет иметь вид:

y(s) = Gu1(s)[u1(s) + fa1(s)]+ Gu2(s)[u2(s) + fa2(s)].                   (2.29)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12