Кулик А С Элементы теории рационального управления объектами

UДУС t ,

150 ГЛАВА V. РАЦИОНАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬЮ …

Ротор гироскопа 1 создает гироскопический момент H , направленной вдоль оси oz, связанной с блоком измерителей системы координат. Ось oy является осью чувствительности, а ось ox – выходной осью датчика. Ротор укреплен на подвижной рамке 2, свободно вращающейся вокруг оси oy, закрепленной в корпусе блока измерителей.

С осью подвижной рамки связано демпфирующее устройство 3 и механическая противодействующая пружина 4, а так же потенциометрический преобразователь угла поворота 5. При вращении блока

измерителей вокруг оси oy на выходе потенциометрического преобразователя появляется напряжение соответствующее угловой скорости

вращения.

Для отработки моделей, алгоритмов и программ рационального управления работоспособностью блока измерителей на кафедре систем управления летательными аппаратами был разработан стенд для исследования датчиков канала курса в соответствии с функциональной схемой (рис. 5.6).

U kT0

~

k

t

ДУ

U t

ИВД

U

T0

1

ˆ

k

U

kT0

~

kT0

U

T0

t

1

U

U

t

1

ДУС

1

АЦП

ИВД 2

ВРД

1

ˆ

k

U

T0

U

kT0

ˆ

k

U

T0

U

t

2

2

ДУС2

2

1

ИВД 3

ˆ

ГВД

ДРД

d i

C1 kT0

C2 kT0

Рисунок 5.6 – Функциональная схема исследовательского фрагмента блока измерителей для канала курса

Напряжения с датчиков угла и угловой скорости, оцифрованные АЦП, поступают на соответствующие блоки ИВД i , i 1, 3 , выполняющие функцию имитации видов дестабилизации по командам с генератора видов дестабилизирующих воздействий (ГВД). ИВД i совместно с ГВД

	5.2 Блок измерителей. Назначение, устройство, принцип действия							151
осуществляют по определенным сценариям, задаваемым командой							C1 kT0 ,
деформацию сигналов		с	датчиков.		Деформированные		сигналы,
соответствующие влиянию текущего дестабилизирующего воздействия на
датчик,	поступают в	блок		диагностирования		работоспособности
датчиков (ДРД), где выявляется по косвенным признакам причина нарушения
работоспособности и формируется диагноз					ˆ
					di . ДРД включается в работу по
команде						ˆ
	C2 kT0 . Результаты диагностирования – диагноз di поступает на
блок,	выполняющий	функцию		восстановления		работоспособности

датчиков (ВРД), где в соответствии с диагнозом и с помощью имеющихся средств восстанавливается деформированный, искаженный дестабилизирующим воздействием сигнал и получаются оценочные значения

ˆ ˆ

напряжений и U kT0 и U kT0 .

На рис. 5.7 представлен общий вид стенда для исследования датчиков курса в режимах программной имитации видов дестабилизации и парирования их последствий с целью восстановления работоспособности датчиков или другими словами, восстановления их измерений.

Рисунок 5.7 – Общий вид стенда для исследования датчиков в канале курса

Разработка стенда и цикл экспериментальных исследований были выполнены сотрудниками кафедры доцентом В.Г. Джулгаковым и ассистентом К.И. Руденко. В процессе экспериментальных исследований

152 ГЛАВА V. РАЦИОНАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬЮ …

имитировались по 9 видов дестабилизаций для каждого датчика, т.е. 36 видов для всех датчиков канала курса. Далее производилось диагностирование

работоспособности датчиков по сигналам

~

,

~

kT0 и

ˆ

kT0 ,

а

U kT0

U 1

U 2

затем по диагнозу

ˆ

ˆ

восстановление

их работоспособности

с

di ,

di 1, 36

помощью аппаратно-программных средств в реальном масштабе времени.

5.3Диагностическое обеспечение фрагмента блока измерителей

Всоответствии с сигнально-параметрическим диагностированием объектов рационального управления опишем особенности диагностического обеспечения фрагмента блока измерителей. Диагностическое обеспечение включает в себя модели, методы, алгоритмы, процедуры и средства

диагностирования. Рассмотрим конфигурацию датчиков, показанную на рис. 5.6. Сигналы датчиков связаны на линейных участках статических характеристик такими соотношениями:

U t к t ;

	U 1 t к 1 t ;	(5.1)
	U 2 t к 2 t ; t T ,
где к , к 1	и к 2 – коэффициенты передачи датчиков;

Т – период измерения.

Зависимость выходного напряжения от входного сигнала можно представить следующей статической характеристикой, справедливой как для ДУ, так и для ДУСов (рис. 5.8).

U λ
U m a x
λ m i n
0	λ m a x	λ
U m i n

Рисунок 5.8 – Типовая статическая характеристика датчиков

5.3 Диагностическое обеспечение фрагмента блока измерителей		153
	Uλ U , U 1 , U 2
Входной сигнал , а выходной		.
Напряжения насыщения Umax и Umin , а также значения входного сигнала λ max

и λ min отражают паспортные диапазоны функционирования датчика. Наклон характеристики определяется коэффициентом передачи к .

Опыт эксплуатации датчиков и анализ их функциональных и надежностных свойств позволяют сформировать для каждого датчика множество характерных дестабилизирующих изменений, например, таких, как показаны на рис. 5.9.

U	λ
Umax
	UO1
1		2
	0	λ
	UO2
	Umin
	а

U	λ	Uλ
Umax		Umax	2
	1
		2
			1
	0	λ	0	λ
			3
	бUmin	вUmin

Рисунок 5.9 – Статические характеристики датчиков при различных видах дестабилизации

	Опишем представленные виды дестабилизации. Вид дестабилизации
d1	– дрейф нуля положительный устранимый, если U10 U0 , например,
U0	1В (рис. 5.9, а, 1); d2 – дрейф нуля отрицательный устранимый, если
U2	U	0	(рис. 5.9, а, 2); d	3	– дрейф нуля положительный неустранимый,
0

если U10 >U0 (рис. 5.9, а, 1); d4 – дрейф нуля отрицательный неустранимый,

если U02 < U0 (рис. 5.9, а, 2); d5 – уменьшение коэффициента передачи датчика устранимое, если к кy (рис. 5.9, б, 2); d6 – уменьшение коэффициента передачи датчика неустранимое, если к кy ; d7 – обрыв сигнального провода датчика (рис. 5.9, в, 1); d8 – обрыв отрицательного провода питания (рис. 5.9, в, 2); d9 – обрыв положительного провода питания (рис. 5.9, в, 3); d10 – неизвестный вид дестабилизации.

154 ГЛАВА V. РАЦИОНАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬЮ …

Каждому физическому виду дестабилизации d i , i 1, 9 ставится в соответствие диагностический параметр i . Так, виды дестабилизации d1 , …, d4 описываются параметром U0 , виды дестабилизации d5 и d6 характеризуются параметром к , а видам дестабилизации d6 , d7 и d8 соответствует постоянство выходного напряжения U const . С учетом введенных параметров видов дестабилизации, уравнения возмущенного движения датчиков примут такой вид:

U t

~

к t + U0 ;

U

1

t

к

t +U 1 ;

(5.2)

1

0

U

2

t к

t +U 2 , t T,

2

0

где

U

t ,

U

t

и

U

t

–

выходные напряжения

аварийных

1

2

датчиков;

~

,

~

~

– текущие коэффициенты передачи датчиков;

к

к

и к

1

2

U0 , U0 1 и U0 2 – текущие величины дрейфов для каждого датчика.

В результате изучения свойств аварийных датчиков и опыта их эксплуатации используют при разработке диагностического обеспечения следующие рабочие гипотезы:

1)в текущий момент времени отказывает лишь один датчик;

2)причиной отказавшего датчика является один вид дестабилизации;

3)другие виды дестабилизации в период измерения Т не появляются;

4)характер изменения входных сигналов t и t обеспечивает

выявление любого вида дестабилизации из заданного множества

D1 d1,...,d9 ;

5)виды дестабилизации появляются независимо один от другого;

6)параметры видов дестабилизации существенно не изменяются на периоде измерения Т.

Представим уравнение (5.2) в переобозначенной векторно-матричной форме для дискретного времени, опустив для упрощения записи период квантования Т0:

5.3 Диагностическое обеспечение фрагмента блока измерителей

155

k

к1

0

k

U

U1

0

U2 k

0

к2

1 k

U0 ; k K ,

(5.3)

0

U3 k

U0

к3

или в компактной форме

U k D

k F; k K ,

(5.4)

где K – множество измерений.

Диагностическая функциональная модель (ДФМ) для фрагмента блока измерителей получается в следующей форме:

U1	k	к1

U2

0

U3 kk 0

0		k				U
								0
к2			1	k		U0 ; k K .				(5.5)
к3							U
								0

Прямые диагностические признаки видов дестабилизации представлены здесь параметрами к1 , к2 , к3 и сигналами U0 , U0 , U0 . Косвенные диагностические признаки в этой модели – это отклонения сигналов U1 k ,

U2 k и U3 k .

В компактной форме диагностическая модель имеет следующий вид:

U k D k F; k K .

(5.6)

Анализ зависимости матриц D и F от прямых признаков видов дестабилизации с помощью критерия структурной диагностируемости свидетельствует о полной структурной диагностируемости всех видов дестабилизации по косвенным признакам – отклонениям сигналов.

Полная сигнальная диагностируемость фрагмента блока измерителей по ДФМ (5.5) обеспечивается при выполнении условия k 0 , k K.

Итак, критерии структурной и сигнальной диагностируемости свидетельствуют о принципиальной возможности определения по косвенным признакам U k прямых к1 , к2 , к3 , U0 , U0 и U0 с помощью ДФМ (5.6).

156 ГЛАВА V. РАЦИОНАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬЮ …

Рассмотрим особенности алгоритмического и программного обеспечения основных задач диагностирования фрагмента блока измерителей для канала курса.

В цифровой векторно-матричной форме уравнения (5.1) для номинального режима описываются следующим образом:

U		k		к
U2		k	=		0
	3				0
U		k

0
к			k				;	k K.	(5.7)
					k
к

Применив процедуру приведения измерений датчиков ко входу и формулу численного дифференцирования Эйлера, сформируем следующие алгебраические соотношения для возмущенного состояния датчиков:

1 k = U k+1 – U k –

к1 T0

δ0 = maxном

	1	U2 k		+	U3 k		;
	2		к2		к3
							(5.8)

1 k .

Из полученных соотношений можно сформировать такой двузначный предикат:

0	2		1		0
Z	= S		k	>δ		; k = 1, N.			(5.9)
Предикат вычисляют N раз, и в результате вычисления в каждой точке
будет значение 0 или 1. Счетчик			N0 подсчитывает количество единиц, т.е.
точек, в которых «дестабилизация обнаружена». После									N проведенных
сравнений осуществляется	окончательное				«обнаружение»,				если N0 N p0 ,

где p0 – коэффициент доверия, позволяющий отбросить «ложные» измерения, «нулевые» точки, игнорировать погрешности, случайные воздействия и другие факторы.

Итак, для обнаружения дестабилизации в фрагменте блока измерений необходимо:

				t1	– t0
	1) сформировать массив разностей 1 k , k = 1, N, N =						для
					T0
	номинального режима функционирования датчиков и вычислить δ0				и p0 ;

	5.3 Диагностическое обеспечение фрагмента блока измерителей			157
2)	занести полученные значения допуска и коэффициента доверия в
файл базы данных и в дальнейшем использовать для обнаружения отказа;
	сформировать разности 1 k , k =		из текущих значений
3)		1, N
напряжений в соответствии с формулой (5.8);

4)вычислить для каждой точки k = 1, N предикат (5.9), подсчитав количество единиц с помощью счетчика N0 ;

5)сравнить содержимое счетчика N0 с произведением общего числа измерений на коэффициент p0 и сообщить один из возможных диагнозов:

а) обнаружена дестабилизация; б) датчики функционируют нормально.

Этапы 1 и 2 выполняются один раз, и в дальнейшем процедура обнаружения начинается с этапа 3. Схематично алгоритм обнаружения дестабилизации для блока измерителей показан на рис. 5.10.

НАЧАЛО

Ввод данных

~

~

k

~

Из файла БД

U k

U

U3 k

1

2

T0, к1, к2, к3, t0,t1

Приведение ко

входу

k

k

k

1

1

Из файла БД

Вычисление 1 k

δO

k=k+1

1

k

0 ; счетчик N0

p0

N раз

N0 N p0

«1» - не норма «0» - норма

ОСТАНОВ

Рисунок 5.10 – Алгоритм обнаружения дестабилизации в датчиках курса

158 ГЛАВА V. РАЦИОНАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬЮ …

Программное обеспечение обнаружения дестабилизации создается на основе разработанных алгоритмов. Отладка алгоритмов и программного обеспечения осуществляется с использованием стандартных средств отладки и первоначально выполняется на файлах данных, полученных с помощью имитационного модуля блока измерителей для всех номинальных и аварийных режимов. После этой отладки алгоритмов и программ переходят к отладке на стендах блока измерителей. Дестабилизация может обнаружиться на стенде в пакетном и оперативном режимах. В первом случае данные со стенда записываются в файл и обрабатываются так же, как имитируемые напряжения. Рекомендуется записывать информацию в файл только в установившихся режимах, т.е. когда дестабилизация уже произошла, до начала периода измерения T , а не в сам период.

Во втором, «оперативном» режиме данные небольшими порциями, например, 10…20 точек, обрабатываются через равные промежутки времени (например, через 1 секунду), в том числе и в переходном режиме, где диагноз может быть недостоверным. Если на следующих итерациях диагноз подтверждается, то он принимается как окончательный.

Для проведения отладки в оперативном режиме рекомендуется заранее спланировать эксперимент с учетом рабочих гипотез. Для этого имитируемые на стенде виды дестабилизации должны разделяться хотя бы одним периодом нормального функционирования датчиков. Характер входного сигнала прокачки датчиков должен обеспечивать сигнальную диагностируемость, т.е. возможность обнаруживать дестабилизацию и выявлять их нормальное функционирование.

Последующие задачи диагностического обеспечения: локализация фрагментов, определение типов и идентификация видов дестабилизации решаются с помощью методов, описанных в главе III. Результаты исследований по стендовому компьютерному диагностированию блока гироскопических датчиков [8] могут быть использованы при формировании алгоритмического и программного обеспечения.

Результатом разработки диагностического обеспечения фрагмента блока измерителей канала курса получен в форме алгоритмического и программного обеспечения, которое укрупненно можно представить в форме дихотомического дерева поиска видов дестабилизации (рис. 5.11).

5.3 Диагностическое обеспечение фрагмента блока измерителей

159

											0											Неизвестный тип					const					0					Z	1
																																						0
																																					12
											5																											0
																											к										11
										Z																			3
																	1										~					0					Z	1
									0			4											const							0		Z
																																					1
																																10
										Z																			9
																	1						01						Z								1
									0														U														8 0
				Д													1						const								0 Z						Z	1
										Z
				3							3																					0
																																7
																							~ U3														1
																													6
																						Неизвестный тип							Z								1
	1		2								5															~						0					11
		0																																			12 0
																	0										const										Z	1
																																						0
																											к
		Z									Z																		2
																	1																				Z
											Z0												const									0						1
																													0
																																Z					1
											4																		9			10
0															3 1								01
																													Z
Z	0								0														U														1
1		1																					const															8
					2
	Z				Д						Z																											0
																	1						2									0					Z
																																						1
																							U									7
																							~						0			Z
																																					1
	1	0									0									Неизвестный тип							const Z					0						0
																																					Z
																													6
																																					1
																																					8
		2									5																											1
																											к
	Z									Z																~			1
																	1
									0		4												const									0					Z
																																						0
																																					7
																																						1
		1								Z													U									6
																	1						0									Z
																																					1
									0														const
			1								3																										1
			Д							Z
																	1						1
																							~ U

3	Неустранимоеизменениек
3		Устранимоеизменениек
	Дрейфотрицательныйустранимый
	Дрейфположительныйустранимый
Дрейфотрицательныйнеустранимый
Дрейфположительныйнеустранимый
			Неизвестныйобрыв
		Обрывположительногопровода
		Обрывотрицательногопровода
			Обрывсигнальногопровода
2			Неустранимоеизменение
к
2	к		Устранимоеизменение
	Дрейфотрицательныйустранимый
	Дрейфположительныйустранимый
Дрейфотрицательныйнеустранимый
Дрейфположительныйнеустранимый
			Неизвестныйобрыв
		Обрывположительногопровода
		Обрывотрицательногопровода
			Обрывсигнальногопровода
1	к		Неустранимоеизменение
1	к		Устранимоеизменение
	Дрейфотрицательныйустранимый
	Дрейфположительныйустранимый
			Дрейфнеустранимый
			Обрывпроводов

Рисунок 5.11 – Дихотомическое дерево поиска видов дестабилизации в датчиках канала курса