Устройство для прогнозирования постепенных отказов

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Республик(51)М. Кл. с присоединением заявки Мо С 05 В 23/02 . Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения Р.Н. Цапник и В.Е, Романов 71) Заявите РОЙСТВО ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНОСТЕПЕННЫХ ОТКАЗОВ(54 соедиИЛИ,Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для оценки технического состояния широкого класса динамическихсистеми электронных приборов.Известно устройство для контроля запаса эффективности динамических систем, содержащее двоичные и реверсивный счетчики, сумматор, шиФратор, 10 ключи управления, триггеры 11 . Это устройство позволяет на базе метода статистических испытаний определить запас эффективности системы, выраженный в виде определенной оценки, 15 учитывающий вес кажцого параметра из контролируемой совокупности. Однако такие устройства не анализируют полученный результат с целью прогнозирования технического состояния систем, 20Из известных устройств такого типа наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство (2( . Это устройство содержит аналого-циФровой переобразователь, 25 дешифратор, реверсивный счетчик, цифровой квадратор, первый логический блок, первый суммирующий счетчик, вход которого нен с выходом первого элемента а первый выход - 30 с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу первого триггера; дифференцирующий блок одним из выходом соединен с аналогоцифровым преобразователем, а другой - с блоком управления. Дифференцирующий блок предназначен для выделения участков стационарности контролируемого процесса, на которых проводится вычисление оценки дисперсии и последующее прогнозирование ее изменения, Од-. нако при определении участков стационарности с помощью дифференцирующего блока возникают погрешности, которые объясняются наличием в структуре конт-, ролируемого процесса х(т) случайной составляющий х(с). Так, изменение этой составляющей и изменение математического ожидания вх(с) может привести к тому, что производная сигнала будет равна нулю, хотя на самом деле процесс нестационарен по вк(т). Этот недостаток усугубляется наличием конечного значения порога чувствительности, устанавливаемым в дифференцирующем блоке на значения проо изводной, Кроме того, изменение х при пх(с)сопвЙ приводит к тому, что производная сигнала не будет рав на нулю, Продолжительность участковстационарности определяемых с помощьюдифференцирующего блока, при этом может быть недостаточной для проведения анализа, например, при наличиив структуре процесса высокочастотнойсоставляющей, что ограничивает область применения устройства в целяхоценки технического состояния широкого класса динамических систем.Устройство является сложным вследствие наличия в нем решающих узлов,выполненных по двойной схеме преобразования, как цифрового, так и аналогового, что приводит к усложнению управления процессами вычислений. Использование в известном устройствевторого реверсивного счетчика по своим функциональным возможностям требует сложного управления вычислительными операциями при оригинальности выполнения реверсивного счетчика и регистрирующего устройства, что противо- Щречит требованиям максимального использования в сложных устройствамсхем типовых узлов. Кроме того, устройство содержит блок памяти, наличие которого обусловлено требованиемпредварительного центрирования стационарного случайного процесса при егоанализе, это снижает оперативностьобработки контролируемого сигнала.Цель изобретения - повышение точности прогнозирования и расширениеобласти применения устройства,Поставленная цель достигается тем,что в устройство для прогонозированияпостепенных отказов, содержащее аналого-цифровой преобразователь, дешиф- З 5ратор, реверсивный счетчик, цифровойквадратор, первый логический блок,первый суммирующий счетчик, регистратор, два триггера, элементы ИЛИ ивторой суммирующий счетчик, вход ко- ф)торого соединен с выходом первогоэлемента ИЛИ, а первый выход - с первым входом элемента И, второй входкоторого подключен к выходу первоготриггера, введены .сумматор и узел дискретной фильтрации, вход которогосоединен с первым выходом аналогоцифрового преобразователя, а выходы -спервыми входами первого логическогоблока, подключенного первым и вторымвыходами к первому и второму входаманалого-цифрового преобразователя соответственно, третьим и четвертымвыходами - к первому и второму входам реверсивного счетчика соответственно, а вторым входом - к выходу 55первого триггера, первый вход которого непосредственно, а второй входчерез второй элемент ИЛИ соединены"сбответственно совторым и третьимвыходами второго суммирующего счетчика, подключенного четвертыми выходамичерез дешифратор к первым входам сум"матора и первого суммирующего счет" чика" И к" йервым входам третьего ичетвертого элементов ИЛИ, вторые вхо-ды которых соединены с первым входо.пятого элемента ИЛИ, вторым входомсуммирующего счетчика и с первым выходом второго триггера, подсоединенного вторым выходом к первому входупервого элемента ИЛИ, первым входомк первому управляющему входу устройства, а вторым входом - ко второму управляющему входу устройства и ко второму входу второго элемента ИЛИ. Выходы реверсивного счетчика черезпоследовательно соединенные цифровой квадратор, первый суммирующий счетчик и сумматор подключены ко входам регистратора, третий вход через пятый элемент ИЛИ - к пятому выходувторого суммирующего счетчика, а четвертый вход - ко второму выходу аналого-цифрового преобразователя, третий вход и выход которого соединеныс первым выходом второго суммирующегосчетчика и вторым входом первого элемента ИЛИ соответственно, Третьи входы сумматора и первого суммирующего счетчика подключены к выходам третьего и четвертого элементов ИЛИ соответственно, а выход элемента И соединен со вторым входом дешифратора.Узел дискретной фильтрации содержит второй логический блок, соединенный выходами с выходами узла, а входами непосредственчо и через шесть расширителей Импульсов - с соответствующими выходами третьего, четвертого и пятого триггеров, счетный входтретьего триггера подключен ко входуузла, а выходы - к счетным входам четвертого и пятого триггеров.На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг, 2 - временные диаграммы его работы.Устройство содержит аналого-цифровой квадратор 1, состоящий из нульоргана 2, генератора 3 пилообразного напряжения, генератора 4 счетных импульсов и ключей 5, 6. Первый выход аналого-цифрового преобразователя 1соединен со входом узла 7 дискретнойфильтрации, состоящим из счетныхтриггеров 8, 9, 10, расширителей 111 б импульсов и логического блока 17.Второй выход аналого-циФрового преобразователя 1 связан с четвертым входом реверсивного счетчика 18, выход которого через последовательно соединенные цифровой квадратор 19, первый суммирующий счетчик 20 и сумматор 21 подключены ко входам регистратора 22. Первый и второй входы реверсивного счетчика 18 соединены соответственно с третьим и четвертым выходами первого логического блока 23. Третий выход аналого-циФрового преобразователя 1 связан со вторым входом первого элемента ИЛИ 24, выход которого, подключен к первому входу второго суммирующего счетчика 25, Второй вход суммирующего счетчика 25соединен с первыми входом и выходомпятого элемента ИЛИ 26 и второготриггера 27 соответственно, а третийвыход через второй элемент ИЛИ 28 -с первым триггером 29, выход которого подключен через элемент И 30 навторой вход дешифратора 31. Соответствующие выходы дешифратора 31соединены с первыми входами третьего 32 и четвертого 33 элементов ИЛИ.Работает устройство следующим образом,10Контролируемый параметр х(г) ввиде напряжения Ох(г) (фиг. 2) поступает на вход аналого-цифровогопреобразователя 1, в качестве которого применен преобразователь цикличес-, 15кого действия с промежуточным преобразованием напряжения во временнойинтервал. Преобразуемое напряжениеОх подается на вход нуль-органа 2,где оно сравнивается с линейно-воз- щрастающим напряжением Ок, поступающим с генератора 3 пилообразного напряжения. Период пилообразного напряжения ОК засинхрониэирован черезсуммирующий счетчик 25 с периодомсчетных импульсов, генерируемых генератором 4 счетйых импульсов, Приме.нение суммирующего счетчика 25 позволяет получить ряд управляющих импульсов, синхроннных со счетными импульсами.ЗРВ момент выполнения равенстваОХ = ОК на выходе нуль-органа 2 появляется короткий импульс,который поступает на счетный вход триггера 8 вузле 7 дискретной фильтрации, В этот 35момент счетный триггер 8 изменяетсвое состояние. Прямой и инверсныйвыходы триггера 8 соединены соответственно с расширителями 11 и 12, навыходе которых фоРмируются импульсы 4 Одлительностью, равной длительностипериода гр пилообразного напряженияОК. Зная моменты времени срабатывания нуль-органа 2 г,г, ,г, в каждом цикле преобразования и соответственно отрезки времени г 1 г 32г(г 11 (Фиг. 2) и длительность периода г, с помощью логического блока 17 можно выделить разность первого порядка, контролируемого нестационарного случайного процесса х(г) 50(НСП):р) . Р) . ,у х(г ) =х(г+1 ) -. х(г) = КЮ,л 11)где о =дг, -дг; = г",) - г=1, 2 и;ь Ь - значение длительности вре- ф 5мя-импульсного сигнала, пропорциональное значению разности первого порядка Охв точкеК - крутизна развертки;д г - интервал времени между началом цикла преобразованияи моментом Ох = ОКАналогичным путем выделяется время-импульсные сигналы, соответствуюаие попарной алгебраической сумме двух соседних разностей первого порядка с помощью схем; счетных триггеров 9, 10, логического блока 17 и расширителей 13-16, на выходе которых формируются импульсы, длительностью равной 2 г1) (1)7:сР =д;+;,+1 =(дг-ьг; ) ++ (Ьг; -Ьг. ) = г(.ф.;.) - 2 гр, Если выходы расширителей 11-16 обозначить в значениях логических Функций, , причем присутствие сигнала на вйходе расширителя соответствует логической "1"отсутствие - логическому "0", то алгоритм работы логического блока 17 записывается с помощью уравнений алгебры-логики в следующем виде:ЮФ+Д( ) 5 ф ъ )4 Ъ 1 ьЬ )4 5 1 ьгде 3 - соответственно положительное и отрицательноезначения попарной алгебраической суммы двух значений разности первого порядка.Работа логического блока 17 в соответствии с приведенным алгоритмомпрослеживается на временной диаграмме (фиг. 2).С выхода узла 7 дискретной фильтрации импульсы, длительность которыхсоответствует положительной или отрицательной разности первого порядкаи их алгебраической сумме, поступаютна вход логического блока 23, На выходе логического блока 23 Формируются логические функцииР Р Я ,каждая из которых означает выполнениеследующей операции: Р, - управлениевычитанием реверсивного счетчика 18,- управление сложением реверсив 2ного счетчика 18; Р - разрешениепрохождения через ключ 6 импульсовчастоты 1 = 2 Г с генератора 4 насчетный вход реверсивного счетчика 18.Необходимость использования двойной частоты время-импульсного сигнала Р вызвана совпадением по временислагаемых при,вычитании разности второго порядка реверсивным счетчиком 18.Логика получения управляющих сиг-налов Р -Р с помощью логическогоблока 23 описывается следующим алго-,2 1 ЪР, = К С( ЪЪ дР Ь 2,Ъ 1 21 2)4 фВ процессе вь 1 числения разности второго порядка Функции х(с) на выходереверсивного счетчика 18 Формируется -код вспомогательного случайного стационарного процесса (ВССП), соответствующего в каждом цикле преобразования"разности второго порядка НСП:2), Р 1 МС () = 7 ( С ) - с 7 ( С) = К - ,где М - число импульсов частотызаполняющих интервал времени, соответствующий значению разности второго порядка в точке 1; Перед каждым циклом вычисленийсчетчик 18 устанавливается в нулевоесостояние импульсом с суммирующегосчетчика 25 через элемент ИЛИ 2 б.Этот мбмент соответствует моменту запуска генератора 3 в каждом цикле,.преобразователя и моменту окончанияанализа. Снимаемый с выхода счетчик18 параллельный код за один цикл вычислений пропорционален значению слуо, (йчайной составляющей х; = с 7 х(с; ),предполагая, что на интервале 0,2 ьД,где 1 м- интервал корреляции процесса, математическое ожидание вх(т)аппроксимируется полиномом первойстепени. В соответствии с теориейконечных разностей можно записать,что сР)щх(с) = О,С выхода счетчика 18 параллельныйкод поступает на цифровой квадратор19, где образуется параллельный кодсоответствующий квадрату величинызначений ВССП контролируемого параметра с выхода квадратора 19 параллельный код приходит на вход счетчика 20, в котором производится последовательное суммирование кодов за определенное время С, равное длительйости периода выборки (см. Фиг. 2),За промежуток временив счетчике20 образуется двоичный код оценкидисперсии ВССП:0 ь , (х)(3=1,2, ,фщ),где и -число циклов преобразованияза промежуток времениь;" "щ -число расчетных интерваловвыборки ъ на реализации.При достиженйи периодом выборкирасчетной величинына выходе дешифратора 31 начинают формироваться короткие тактовые импульсы за время, равное длительности двух циклов преобразования (Фиг. 2), Первым тактовым импульсом в регистрирующее устройство 22 переписывается результат сравнения кодов, записанных в накопительном счетчике 20 и сумматоре 21.Вторым тактовым импульсом через элемент ИЛИ 32 сумматор 21 устанавливается в нулевое состояние. Третьим тактовым импульсом код, записанный в накопительном, счетчике 20, переписывается в сумматор 21, четвертым тактовым импульсом через элемент ИЛИ 33осуществляется сброс накопительногосчетчика 20 в нулевое состояние, Таким образом, регистратор 22 регистрирует величину и знак разности оценок дисперсий ВССП, вычисленных насоседних промежутках времени , чтопозволяет непосредственно провестипрогнозирование отказа прибора, так О как дисперсии процессов х(с) и х(с)связаны постоянной масштабной зависимостью на временных интервалах Т"одинаковой длительности.Бланкирующий триггер 29 запреща ет выдачу управляющих импульсов Р 1в Рд с выхода логического блока 23во время первых двух циклов преобразования с момента начала дисперсионного анализа, поскольку первое зна О чение разности второго порядка появляется только в третьем цикле.Использование узла дискретнойфильтрации в схеме предлагаемого устрбйства выгодно отличает его от укаэанного прототипа, так как повышается точность и достоверность прогнозирования изменения оценки дисперсии контролируемого процесса при достижении возможности проведения егооперативной непрерывной обработки. ЗО, Точность прогнозирования определяется прежде всего статистическойпогрешностью вычисления оценки дисперсиии так называемой динамистческой ошибкой второго рода (, свя занной с изменением статистическиххарактеристик исследуемого процессав течение определенного значения периода сглаживания Т. Устройство (21приводит дисперсионный анализ на ин тервалах локальной стационарности,длительность которых определяетсядифференцирующим блоком. При этом относительная ошибка в определении стационарности реализации может достигать 100, что в дальнейшем при выф 5 числении оценки дисперсии определяетсс щественный вес составляющейвруктуре погрешности прогнозирова;я, Использование узла дискретнойФильтрации в схеме предлагаемого уст ройства позволяет привести контролируемый в общем случае нестационарныйпроцесс к стационарному через разности второго порядка для исключениявлияния скорости измененйя математи ческого ожидания на участке ТВ =27 В этом случае составляющаям,к.= 0 и погрешность прогноза будетв основном определяться составляющейкоторая н свою бчередь зависитот принятого алгоритма вычисленияоценки дисперсии, интервала дискретизации процесса и длительности участкана котором вычисляется оценка дисперсиии. Оптимальный выбор этих величин определяет погрешность вычисленияоценки дисперсии на расчетном интервале .Наличие непрерывной простбй линейной зависимости между значениями дисперсии исходного нестационарного процесса х(с) и вспомогательного х(с),.ф"т,е. О- О, позволяет вестипрогнозирование непосредственно пооценке дисперсии О вспомогательногостационарного процессах(с). Возможность непрерывного приведения нестационарного, по математическому ожиданию, случайного процесса к стационарному процессу, точная и .оперативнаяобработка которого не представляеттрудностей, позволяет расширить область применения устройства в целяхоценки технического состояния широкого класса динамических систем и.электронных приборов.Повсеместное использование в уст- Щройстве унифицированных цифровых узлов позволяет упростить устройствои применить стандартные микросхемысредней интеграции, выпускаемые отечественной промышленностью без приме-кения дополнительных элементов, чтоповышает надежность работы устройства и облегчает его конструктивное использование,указанные положения подтвержденырезультатами исследований, полученны- З,ми в процессе лабораторного макетирования устройства,Формула изобретения351, Устройство для прогнозирования постепенных отказов, содержащее аналого-цифровой преобразователь, дешифратор, реверсивный счетчик, цифровой квадратор, первый логический блок, первый суммирующий счетчик, регистратор, два триггера, элементы ИЛР и второй суммирующий счетчик, вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, а первый выход - с первым 45 входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу первого триг" гера, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и расширения области применения устрайст- Я ва, оно содержит сумматор и узел дискретной фильтрации, вход которого соединен с первым выходом аналогоцифрового преобразователя, а выходы - с первыми входами первого логического блока, подключенного первым и вторым выходами к первому и второму входам аналого-цифрового преобразователя соответственно, третьих и четвертым Ьыходами - к первому и второму входам Реверсивного счетчика соответственно, а вторым входом - к выходу первого триггера, первый вход которого непосредственно, а второй вход через второй элемент ИЛИ соединены соответственно со вторым и третьим выходами второго суммирующего счетчика, подключенного четвертыми выходами череэ - дешифратор к первым входам сумматора и первого суммирующего счетчика и к первым входам третьего и четвертого элементов ИЛИ, вторые входы которых соединены с первым входом пятого элемента ИЛР,вторым входом суммирующего счетчика и с первым выходом второго триггера, подсоединенного вторым выходом к первому входу первого элемента ИЛР, первым входом - к первому управляющему входу устройства, а вторым входом - ко второму управляющему входу устройства и ко второму входу второго элемента ИЛИ, выходы реверсивного счетчика через последовательно соединенные цифровой квадратор, первый суммирующий счетчик и сумматор подключены ко входам регистратора, третий вход через пятый элемент РЛИ - к пятому выходу второго суммирующего счетчика, а четвертый вход - ко второму выходу аналого-цифрового преобразователя, третьи вход и выход которого соединены с первым выходом второго суммирующего счетчика и вторым входом первого элемента ИЛИ соответственно, причем третьи входы сумматора и первого суммирующего счетчика подключены к выходам третьего и четвертого элементов РЛР соответственно, а выход элемента И соединен со вторым входом дешифратора.2. Устройство по и, 1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что узел дискретной фильтрации содержит второй логический блок, соединейый выходами с выходами узла, а входами непосредственно и через шесть расширителей импульсов - с соответствующими выходами третьего, четвертого и пятого триггеров, счетный вход третьего триггера подключен ко входу узла, а выходы - к счетным входам четвертого и пятого триггеров. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР Р 429418, кл. С 05 В 23/02, 1972. 2. Авторское свидетельство СССР Р 428361, кл. 6 05 В 23/02, 1971.767709 ваи г,Е авитель В. Максимо Редактор И. Грузова Текред А.Ач Корректор Г,. Решетник каз 7193/43 Г сударственного комите по делам изобретений и откры 113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5