Способ определения отказавшего датчика в избыточной системе

Способ определения отказавшего датчика в избыточной системе

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано в системах с избыточным количеством датчиков, например датчиков угловой скорости, отказ одного из которых не должен приводить к отказу системы управления.

Известен способ определения отказавшего датчика, реализованный в [1], включающий измерение каждым датчиком параметра движения и проверку соотношения связи измеренных датчиками параметров движения, характеризующего исправную работу датчиков.

Недостаток этого способа состоит в том, что он предполагает наличие большого количества избыточных датчиков (сверх трех, не расположенных в одной плоскости и полностью определяющих вектор параметра движения) и не позволяет определить отказавший датчик при любом числе избыточных датчиков, например при одном.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ, реализованный в [2], включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения a_i, i..=1, 2, ... n, где n - число датчиков, периодическую с периодом Т₀ проверку соотношения связи измеренных параметров движения, характеризующего исправную работу датчиков, проведение сравнения показаний a_m каждого датчика на момент времени Т_m (m=1, 2, 3, ...) нарушения соотношения связи измеренных параметров движения с показаниями а_(m-1) того же датчика на момент времени Т_(m-1)=(m-1)·Т₀.

Недостаток этого способа состоит в том, что он не позволяет определить отказавший датчик, если процесс отказа датчика развивается медленно, например, за счет постепенного увеличения сигнала смещения и ухода его за пределы допустимых значений.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей за счет возможности определения отказавшего датчика в условиях медленного изменения сигнала смещения.

Эта задача достигается тем, что способ определения отказавшего датчика в избыточной системе, включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения а_i, где i=1, 2, ... n, n - число датчиков, периодическую с периодом Т₀ проверку соотношения связи измеренных параметров вектора движения, по которому определяют отказ датчика, предполагает, что с момента нарушения соотношения связи измеренных параметров системе задают движение, при котором выходной сигнал любого из трех выбранных для управления датчиков p, r и s (p, r, s=1, 2, ... n, p≠r≠s) устанавливается меньше некоторого заданного значения Δ (Δ - малая величина) и при достижении этого значения фиксируется выходной сигнал a_If любого контрольного датчика I (I≠p≠r≠s), после чего производится изменение масштабирующего коэффициента в М раз трех выбранных датчиков p, r и s и при изменении зафиксированного сигнала а_If в М раз производится повторение описанных процедур для любого другого сочетания датчиков p, r, s и I до тех пор, пока при изменении масштабирующего коэффициента в М раз трех выбранных датчиков p, r и s не будет происходить изменение зафиксированного сигнала a_If контрольного датчика I, при этом отказавшим является датчик I.

На чертеже приведена координатная схема, поясняющая расположение измерительных осей датчиков и направления измеряемого параметра. На этой схеме: x, y, z, - направление ортогональных осей базиса, относительно которого производится управление, 1, 2, 3, 4 - направление измерительных осей датчиков, а - направление измеряемого вектора движения, α_х1, α_y1, α_z1 - углы между направлением измерительной оси 1 и соответственно измерительными осями x, y, z.

Реализацию предлагаемого способа определения отказавшего датчика рассмотрим на примере системы с одним избыточным датчиком угловой скорости при управлении движением твердого тела (космического аппарата). В общем случае система из трех датчиков угловой скорости, измерительные оси которых не лежат в одной плоскости, полностью определяет вектор угловой скорости космического аппарата а. Избыточная система содержит на один датчик больше - четыре датчика угловой скорости, при этом никакие три датчика из четырех не лежат в одной плоскости. При отказе одного из четырех датчиков в такой системе существует возможность замены этого датчика, используя показания остальных исправно работающих трех датчиков.

Пусть избыточная система содержит четыре датчика (фиг.1), измерительные оси которых направлены по координатным осям 1, 2, 3, 4, а их углы расположения относительно ортогонального базиса x, у, z равны α_ki (k=x, y, z, i=1, 2, 3, 4). Введем обозначения:

а - вектор движения, а_i - измерения (выходные сигналы) датчиков, a_k - проекции вектора движения а на оси x, y, z; b_ki=cosα_ki - направляющие косинусы [p, r, s] (p, r, s=1, 2, ... n, р≠r≠s) - система из трех выбранных для управления датчиков, I (I=1, 2, ... n, I≠p≠r≠s) - контрольный датчик, не использующийся в данный момент в управлении, j - сочетания из трех выбранных для управления датчиков p, r, s системы из n датчиков. Для n=4 число таких сочетаний четыре: j=[1, 2, 3], [1, 2, 4], [1, 3, 4], [2, 3, 4] (пусть р=1, r=2, s=3),

||a_k|| - вектор - столбец проекций a_k вектора а на оси x, y, z, |В_j| - матрица 3×3 направляющих косинусов b_ki выбранного сочетания j датчиков, ||а_j|| - вектор - столбец измерений датчиков выбранного сочетания j.

С учетом введенных обозначений имеем

Если a_x, a_Y, а_Z - проекции вектора движения а, то имеет место соотношение

где a_I - измерение (выходной сигнал) датчика измерительной оси I, I - направление измерительной оси, не совпадающей с осями p, r, s (считаем, что каждый из датчиков p, r, s и I расположен соответственно на оси p, r, s и I). Равенство (2) и есть соотношение связи измеренных параметров движения.

Как следует из (2), величина R равна нулю (близка к нулю), если все четыре датчика исправны. В случае отказа датчика величина R не равна нулю (больше некоторого заданного значения), что свидетельствует о неисправности в системе из четырех датчиков.

Осуществим периодическую с периодом Т₀ проверку соотношения связи параметров движения (2) на равенство нулю (на принадлежность к заданному интервалу) величины R. Пусть в некоторый момент времени Т_m=m·Т₀(m=1, 2 ...) произошло нарушение соотношения связи (2), при котором величина R вышла за пределы дозволенных значений. Зададим системе такое движение, при котором выходные сигналы a_p, a_r, a_s датчиков меньше некоторого заданного значения Δ (Δ - малая величина). Зафиксируем выходной сигнал a_If контрольного датчика, расположенного по оси I. Пусть нарушение соотношения (2) произошло вследствие выхода за пределы дозволенных значений сигнала смещения датчика 3 (s) и этот сигнал стал равным а_3см. Введем обозначения: a_iП - фактические показания датчика i, a_i - достоверные значения параметров движения, измеренные датчиком i, а_iсм - сигнал смещения датчика i.

Для рассматриваемого случая отказа датчика 3 (сигнал смещения а_3см превысил допустимые значения) имеют место соотношения

Если выходные сигналы a_p, а_r, a_s датчиков p (1), r (2), s (3) сведены к нулю или меньше некоторого заданного значения Δ, то в результате система будет вращаться относительно оси, перпендикулярной плоскости, образованной осями 1 и 2 с угловой скоростью a_вр, при этом проекция a_вр на ось 3 будет равна -а_3см, а на ось 4 равна а_4вр (см. фиг.1). Показания датчика I (4) будут равны

где ϕ₁ - угол между вектором вращения а_вр и осью 3, β₁ - угол между вектором вращения а_вр и осью 4. Углы ϕ₁ и β₁ определяются из (1) с учетом условия (4). Из (4) имеем

Зафиксируем показания а_4П и изменим масштабирующий коэффициент датчиков p (1), r (2), s (3) в М раз, удерживая их выходные сигналы в области некоторого заданного значения Δ. В этом случае

Сигнал смещения датчика 3 возрастет в М раз и станет равным а_3смП=Ма_3см, вследствие чего возрастут в М раз сигналы а_вр и а_4п, т.е. в М раз изменятся показания контрольного датчика I (4).

Выберем другое сочетание датчиков: р=2, r=3, s=4, I=1. Проделаем описанные выше операции. В этом случае

где ϕ₂ - угол между вектором вращения а_вр1 и осью 3, β₂ - угол между вектором вращения а_вр1 и осью I (1). Углы ϕ₂ и β₂ определяются из (1) с учетом условия (7).

Зафиксируем показания а_1П и изменим масштабирующий коэффициент датчиков p (2), r (3), s (4) в М раз, удерживая их выходные сигналы в области некоторого заданного значения Δ. В этом случае

т.е. показания контрольного датчика I (1) изменяются в М раз.

Выберем другое сочетание датчиков: р=1, r=3, s=4, I=2. Проделаем описанные выше операции. В этом случае

где ϕ₃ - угол между вектором вращения а_вр2 и осью 3, β₃ - угол между вектором вращения а_вр2 и осью I (2). Углы ϕ₃ и β₃ определяются из (1) с учетом условия (11).

Зафиксируем показания а_2П и изменим масштабирующий коэффициент датчиков p (1), r (3), s (4) в М раз, удерживая их выходные сигналы в области некоторого заданного значения Δ. В этом случае

т.е. показания контрольного датчика I (2) изменяются в М раз.

Выберем другое сочетание датчиков: р=1, r=2, s=4, I=3. Проделаем описанные выше операции. В этом случае при сведении к нулю выходных сигналов исправных датчиков р=1, r=2, s=4 система неподвижна (отсутствует вращение) и показания контрольного датчика I (3) будут равны

Изменим масштабирующий коэффициент выбранных исправных датчиков p (1), r (2), s (4) в М раз, удерживая их выходные сигналы в области некоторого заданного значения Δ. В этом случае система остается неподвижной и показания датчиков равны

т.е. показания контрольного неисправного датчика I (3) остаются без изменения. Таким образом, если в качестве датчика I выбран отказавший, то при изменении масштабирующего коэффициента других трех исправных датчиков показания отказавшего датчика не изменяются.

При использовании известного способа определения отказавшего датчика [2] в случае "медленного" развития отказа, например, за счет увеличения сигнала смещения определение отказавшего датчика в минимально избыточной системе практически не представляется возможным, так как выходные сигналы датчиков на момент времени Т_m нарушения соотношения связи измеренных параметров и на момент времени Т_m-1 выполнения соотношения связи измеренных параметров практически будут совпадать и разность Δа_m показаний а_m любого датчика на момент времени Т_m и показаний а_m-1 этого же датчика на момент времени T_m-1 будет меньше заданного значения Δ.

Таким образом, рассмотренный способ позволяет определить отказавший датчик в условиях медленного изменения сигнала смещения, что расширяет функциональные возможности системы управления.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных автором решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень». Реализация способа определения отказавшего датчика предполагает проведение стандартных операций измерения параметров движения, фиксации показаний, изменения масштабирующего коэффициента, регистрации изменения показаний и определения отказавшего датчика по результатам изменения показаний.

Литература

1. Авторское свидетельство СССР N613291 от 7.03.78, кл. G05B 15/02, G05D 1/02.

2. Патент Российской Федерации N2244954 от 20.01.2005, кл. G05B 23/02.

Способ определения отказавшего датчика в избыточной системе, включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения а_i, где i=1, 2, ... n, n - число датчиков, периодическую с периодом Т₀ проверку соотношения связи измеренных параметров вектора движения, по которому определяют отказ датчика, отличающийся тем, что с момента нарушения соотношения связи измеренных параметров системе задают движение, при котором выходной сигнал любого из трех выбранных для управления датчиков p, r и s (p, r, s=1, 2, ... n, p≠r≠s) устанавливается меньше некоторого заданного значения Δ (Δ - малая величина) и при достижении этого значения фиксируют выходной сигнал a_If любого контрольного датчика I (I=1, 2, ... n, I≠p≠r≠s), после чего производят изменение масштабирующего коэффициента в М раз трех выбранных датчиков p, r и s и при изменении зафиксированного сигнала a_If в М раз производят повторение описанных процедур для любого другого сочетания датчиков p, r, s и I до тех пор, пока при изменении масштабирующего коэффициента в М раз трех выбранных датчиков p, r и s не будет происходить изменение зафиксированного сигнала a_If контрольного датчика I, при этом отказавшим является датчик I.