Способ диагностирования состояния технического объекта с выбросами параметров и устройство для его осуществления

Изобретение относится к классуобъектов, параметры которых наряду сослучайным изменением внутри определенного допуска имеют тенденцию квыбросам за его пределы в сторонуувеличения их значений Причем характер выброса в ходе эксплуатации технического объекта претерпевает тристадии,Первая иэ стадий связана с приработкой узлов технического объекта ихарактеризуегся повышенной частотойвЫбросов, Вторая стадия - период исправного функционирования - связанас регулярными относительно редкимивьбросами.Наконец, третья стадия (стадияизноса узлов) характ еризуется увеличенной вероятностью возникновения неисправностей, требующих ремонта. Число выбросов на этой стадии может каксократиться, так и возрасти. Изменяется их длительность, амплитуда идругие параметры,К таким объектам, например, относится судовой малооборотный дизель.Из-за наличия замков поршневых колец,вращения колец при перемещениях поршня и периодического прорыва газоввдоль поршня через замки и другие зазоры температура втулки дизеля какслучайная величина скачкообразно увеличивается. На стадии приработки поршневых колец выбросы температуры имеют учащенный характер. Затем в периодисправного функционирования дизелявыбросы регулярны и относительно редки. При повышенном нагарообразованиинепосредственно перед закоксовываниемпоршневых колец выбросы температурымогут исчезнуть. Наоборот, при изменении геометрии кольца вследствие выгорания смазки, перегрева и другиевыбросы учащаются из-за возникновениядополнительных зазоров.Случайный процесс изменения значений параметров технических объектовуказанного класса по известным способам контролируется периодически путем единичного замера значения случайного процесса и его сравнения сдопуском. При этом период замеровиа два порядка выше их длительности.Так, например, температура втулки дизеля замеряется несколько раз в сутки кратковременно. Выброс. при такомконтроле воспринимается как превышение значением случайного процессаустановленного допуска, В известном способе такие значения вообще исклюл л 2 ю Д(,КУ15 2 игде К =--- количество отсчетов486 за период Д сЫе 2мас20 К- максимальная частота спектра выброса;(ц - погрешность аппроксимации случайного процесса при дискретномизмерении,Определяют дополнительную статистическую характеристику распределенияслучайной величины параметра. В силуспецифики технических объектов рассматриваемого класса фиксируемые сповышенной частотой выбросы за пределы верхней границы допуска порождаютасимметричность и подчинение техниаческого параметра закону Х распределения, т.е. распределения величины 35 25=пБ Ю,Я " агде и Б =(х -х)ф45 и - число степеней свободы;сБ - выборочная дисперсия;- генеральная дисперсия;х - математическое ожидание.Затем проводят серию контрольныхциклов и сравнивают результаты каждого очередного цикла с результатамипредыдущего. По результатам такогосравнения выделяют этапы протекания 55случайного процесса и соответствующие этапы функционирования технического объекта, Первый этап завершаетсяпри стабилизации статистическиххарактеристик х, Б и и на одном уровне. чаются из статистики,5 Способ реализуют следующим обра- зом.Проводят измерения техническогопараметра с увеличенной частотой, Их период определяют исходя иэ частотных 10 характеристик выброса но формуле Ко- тельникова(3) 50 де 1 при 1 0 при 1 а3 55 О -д-й допуск на 1тистической (и или Б ) значение 1-й стахарактеристики Он соответствует приработке узло технического объекта.В начале второго этапа эти характеристики принимают за эталонные,2 5 причем б считается равной стабилизированному значению Б , поскольку этап нормального функционирования технического объекта наиболее продолжителен. Статистика, получаемая на втором этапе, составляет подавляющий объем генеральной совокупности. В свою очередь, природа протекания данного этапа такова, что случайный процесс в течение его стационарен. Следова2тельно, Б неизменна, Второй этап наиболее продолжителен. Если выброс параметра длится, например, для температуры втулки цилиндра малооборотного судового дизеля 15-30 мин, то этап нормального работоспособного состояния составляет несколько лет. Однако для выделения второго этапа достаточно зафиксировать неизменность х,Б и и в течение нескольких суток, т.е. соотношение между длительностью выброса и периодом, в течение которого наступает второй этап, 1/300-1/500. Сокращение либо увеличение числа выбросов свидетельствует о наступлении третьего этапа. Такое изменение выражается в положительном либо отрицательном приращениях статистических характеристик и немедленно обнаруживается контрольно-измерительной аппа ратурой, реализующей данный способ.На третьем этапе происходит износ узлов технического объекта, поэтому диагностирование приобретает особую важность. На этапе износа оно осущест вляется согласно изобретению штатными средствами автоматики по изменениям во времени логических комбинаций, представленных булевыми векторами- иИ ь 1а = аа 2,а, ; и ли5 5 5 1а = а ,а а Динамика изменения и и Б представляется булевыми матрицами (фиг.1 а,б), каждая строка которой есть вектор а в фиксированный момент времени, соответствующий случаю, когда число степеней свободы и остается неизменнымна протяжении серии из четырех контрольных циклов. Фиг.1 г соответствует ситуации, когда выборочная дисперсия2Б монотонно возрастает на протяжении серии из четырех контрольных циклов.На основании этих матриц принимается решение о характере неисправности, причем число различных дефектов по сравнению с известным устройством увеличивается на несколько порядков. Так, диагностирование ситуации, описываемой матрицами на фиг.1 в,г одновременно, позволяет сделать вывод об учащении выбросов либо об увеличении их амплитуды. Одновременное монотон 2ное увеличение и и Б свидетельствует об исчезновении выбросов (закон Х преобразуется в нормальный) и одновременном увеличении колебаний параметра и др.Способ реализуется с помощью устройства (фиг.2).Устройство содержит датчик 1 параметров, генератор 2 тактовых импульсов, блок 3 вычисления статистических характеристик, первый регистр 4, элементы 5 л - 5 э задержки, элементы 6 - 6 э сравнения, переключатель 7 режимов, состоящий из элемента ИЛИ 8, элемента НЕ 9, элемента 10 запрета, счетчика 11 и триггера 12, первый 13 и второй 132 ключи, первую 14- 14 н и вторую 15 л - 15 д группы пороговых элементов, первый 16 и второй 17 дешифраторы, группу вторых триггеров 18 л - 182,л и блок 19 индикаторов.Блок 3 вычисления статистических характеристик (фиг.3) содержит ключ 20, одновибратор 21, первый 22, второй 23 и третий 24 элементы дифференцирования, первый 25 и второй 26 элементы деления, первый 27 и второй 28 накапливающие сумматоры, элемент 29 задержки, первый 30, второй 31 и третьи 321 - 32элементы вычитания, первый счетчик 33, многоканальный элемент 34 сравнения, генератор 35 тактовых импульсов, второй счетчик 36, третьи счетчики 37 1 - 37 , третьи элементы 38- 38деления, узел 39 задания значений плотности распре 1573461деления Хг, первый 40, вторые 41 41 к кцадраторы, сумматор 42, элемент 43 сравнения и элемент 44 памяти.Регистр 4 - регистр параллельного5 приема и параллельной выдачи информации. 1 егистры 18 - 18 - последом амнательного приема и сдвига. При поступлении в их первые разряды значения логической единицы или логического нуля содержимое всех разрядов сдвигается на один разряд нправо.Дифференцирующий элемент 22 срабатывает по переднему фронту импульса однонибратора 21, а элемент 23 по заднему Фронту того же импульса.Узел 39 содержит значения известной математической зависимости 20 0 при УО,(4)1У р при у) О,Г(-) 2 Ч г 1 где Г - гамма-Функция;и - число степеней свободы;7 - аргумент Функции, принимающий К значений. 30На выходе узла 39 для каждого значения и, поступающего на его вход сосчетчика 36, присутствует К значенийплотности вероятности распределениявеличины Х35Устройство работает следующим образом,Обнуляются регистр 4, счетчики 11,33,36 и 37 - 37 к, сумматоры 27,28 и42, триггер 12,40Запускается генератор 2, импульсыначинают поступать на тактирующийвход блока 3. Значения расчетных ста Ятистических характеристик х, Б и ипоступают на входы разрядов регистра 454 с частотой, равной частоте контрольных циклов или пропорциональной ей.В элементах 5- 5 з осуществляетсязадержка длительностью в контрольныйцикл, поэтому на входы элементов б6 поступают значения характеристиктекущего и предыдущего 1 циклов. Еслиэти значения не равны между собой либо отличаются более чем на заданнуюнеличину, на выходе соответствующего55элемента 6 имеется единичный сигнал.Данный сигнал порождает такой жесигнал на выходе элемента 8. Элемент9 инцертирует логическую "1", поэтому на счетный вход счет цка 11 сигналите це поступают. Данная ситуация сохраняется ца протяжении всего первого этапа протекания случайного процесса, когда идет приработка технического объекта, а статистические характеристики меняют свои значения.1 ри стабилизации значений характеристик элементы б, - б з выдают нулевые сигналы, что приводит к возникновению единично о сигнала ца выходе элемента 9 и записи в счетчик 11 числа, соответствующего количеству совпадений значений характеристик на соседних контрольных точках. Любое несовпадение соседних значений характеристик приводит к обнулецию счетчика 11 подачей единичного сигнала на вход его обнуления. При сохранении стабильных значений характеристик в течение заданного количества контрольных циклов счетчик переполняется. Импульсом переполнения триггер 12 устанавливается в единичное состояние. Логическая единица с выхода триггера 12 закрывает элемент 10, прекращает подсчет числа совпавших значений, Переключатель 7 подает единичный сигнал на управляющие входы ключей 13 - 132, открывает путь для прохождения ца элементы 14- 14 д и 15, - 15 м значений характеристик и и Б , Заканчивается работа устройства, соответствующая второму этапу протекания случайного процесса,На третьем этапе, когда осуществляется диагностика неисправностей,гзначени и и Б поступают на входы элементов 14- 14 н или 15- 15 м, В зависимости ат значения величины и или Ы на выходах соответствующих2элементов появляется единичный сигнал. На дешифраторы 16 и 17 поступают соответствующие коды. В результате дешифрации этих кодов на первые ячейки двух регистров из числа регистров 18 и - 18 гм поступают единичные сигналы. Загораются индикаторы, соответствующие тем разрядам регистров, в которые записаны логическиеСмена содержимого ячеек регистров 18 и - 18 гм осуществляется по командам с генератора 2, поступающим ца тактовые входы элементов 14- 14 и 15- 15 м. Информация, представленная индикаторами, соответствует диагностическим матрицам (фиг,1 в,г).9ГИнформация ячеек регистров 18 и по желанию разработчика может быть дешифрирована в соответствии с конкретной схемой распознавания неисправностей.Средства дешифрации на чертеже фиг.2 не указаны ввиду их частного характера для каждого отдельного случая использования устройства.Блок 3 работает следующим образом.Импульс, поступающий на тактовый вход блока от генератора 2, запускает одновибратор 21, который выдает длинный импульс, соответствующий длительности контрольного цикла, По переднему фронту импульса одновибратора срабатывает элемент 22, который подает команду на запись числа, большего любой заранее заданной величины, в элемент 44, По переднему фронту импульса с одновибратора 21 открывается ключ 20, и значения случайного процесса начинают поступать на элементы 24 и 27. В элементе 27 они суммируются, а в элементе 24 инициируют импульсы, поступающие на вход счетчика 33 и осуществляющие подсчет числа суммированных значений. В результате деления в элементе 25 образуется текущее значение математического ожидания случайного процесса - х. Оно выдается на первый выход блока, С задержкой в элементе 29 длительностью,. необходимой для получения достоверного значения х, значения случайного процесса начинают поступать на элемент 30, где осуществляется вычитание, и далее на входы квадратора 40, где нормированное значение случайного процесса возводится в квадрат. После накопления в сумматоре 28 сумма нормированных квадраторов поступает на вход делимого элемента 26. На вход делителя данного элемента поступает величина п, определенная в элементе 31. Вычисленное значение выборочной,йдисперсии Б поступает на второй выход блока. По командам с выхода элемента 24 значения случайного процесса подаются также на вход элемента 34, где сравниваются также на вход элемента 34, где сравниваются с группой допусков, Значение, попавшее в соответствующий допуск, порождает выходной импульс на соответствующем выходе элемента 34. Данный импульс заносится в соот 73461 1 О ветствующий счетчик 37. 11 о окснчднии контрольного цикла срдбдтьцдет элемент 23. Импульс с его выхода подает комднду нд деление содержимого счетчика 37 нд число измереншгх значений, поступакпцее с выхода счетчика 33. На выходах элементов 38 присутствуют значения, пропорциональные частотам гистогрдммы распределения значений случайного процесса в текущем цикле.Импульс с выхода элемента 23 запускает генератор 35. Начинается реализация метода наименьших квадратов цля интерполяции гистограммы законом плотности вероятности распределения гХ с искомым значением числа степеней свободы. Счетчик 36 последовательно выдает нд вход узла 39 числа натурального ряда. Для кджного из этих 10 15 20 другим принципиальным схемам, например, с использованием принципд модечисел узел 39 гыдает значенияФункции (4) в точках, соответствующих аргументам гистограммы, В результате вычитания теоретических 25 значений из полученных экспериментальным путем в элементах 32, возведения их в квадрат в элементах 41 исуммирования в сумматоре 42 определяется критерий "близости" теоретичес кой и экспериментальной функции, Число, соответствующее этому критерию,поступает на вход элементов 43 и 44,Если поступившее число меньше числа,ранее записанного в элемент 44, сра.батывает элемент 43. Выдается сигнална вход управления записью в элемент44. Текущее минимальное значение среднеарифмЕтического отклонения, а также соответствующее ему число степеней 40 свободы с кодового выхода счетчика36 записывается в элемент 44. Импульспереполнения с выхода счетчика 36 поступает на вход выдачи результатаэлемента 44, после чего значения чис ла степени свободы соответствующеенаиболее "близкой" теоретической кривой плотности распределения Х выдается на третий выход блока 3.В начале следующего контрольногоцикла импульсом с выхода элемента22 обнуляются сумматоры 27 и 28,счетчики 33 и 37. Сумматор 42 обнуляется сигналом с выхода генератора35 перед каждым новым расчетом значений функции плотности распределегния ХБлок 3 может быть выполнен и полирован я Храспределения как суммы квадратов и нормально распределенных случайных величин, а также с использованием стандартных схем определеия статистических моментов.о р м у л а изобретения1. Способ диагностирования состоя. ия технического объекта с выбросами араметров, Состоящий в том, что на этапах приработки, исправного функЦионирования и износа технического сбъекта определяют частоту измерения амплитуды случайного процесса измеения технического параметра, рассчиывают статистические моменты случайого процесса, сравнивают их с этаонными и по результатам сравнения классифицируют неисправность, о т 4 и ч а ю щ и й с я тем, что, с цеью повышения достоверности диагностирования, на всех этапах жизненногс икла технического объекта измерения амплитуды случайного процесса проводят с частотой, равной максимальной частоте спектра выброса технического параметра, увеличенной обратно пропорционально квадратному корню от погрешности аппроксимации процесса изменения технического параметра, по результатам измерений рассчитывают дисперсию, число степеней свободы распределения хи-квадрата и принимают их в качестве контролируемых параметров, на этапе приработки технического объекта регистрируют последовательные изменения контролируемых параметров до их стабилизации на одном уровне, неизменные на этапе- нормального функционирования в течение периода, большего трехсоткратной длительности выброса, значения контролируемых параметров принимают за эталонные, а на этапе износа технического объекта устанавливают многоуровневые допуски для каждого контролируемого параметра, при попадании .го в один из допусков формируют инрицирующий сигнал, при переходе значения контролируемого параметра в другие допуски фиксируют последовательно возникающие в процессе функционирования технического объекта индицирующие сигналы, по изменениям которых во времени классифицируют состояние технического объекта,2. Устройство для диагностирования состояния технического объектас выбросами параметров, содержащее два ключа, элемент Е, блок индикаторов, переключатель режимов, элементИЛИ, первую группу пороговых элементов, выходами подключенных к кодовому 5входу первого дешифратора, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с цельюповышения достоверности диагностирования, оно содержит генератор тактовых импульсов, блок вычисления статистических характеристик, первыйрегистр и группу из (И+М) вторых регистров (где И - число степеней свободы из интервалов возможных значений, М-выборочная дисперсия распределения хи-квадрата случайной величины), три элемента задержки, три элемента сравнения, вторую группу изМ пороговых элементов и второй дешиф О ратор, кодовым входом и выходами подключенный соответственно к выходампороговых элементов второй группы ивходам первых разрядов соответствующих вторых регистров, выходы перво го дешифратора также соединены с первыми разрядами соответствующих вторых регистров, выходы разрядов которых связаны с входами соответствующих индикаторов, выход генераторатактовых импульсов соединен с тактирующими входами первого регистра,блока вычисления статистических характеристик, первой и второй групппороговых элементов, информационные 35входы которых связаны с выходами соответственно первого и второго ключей, информационные входы которыхподсоединены соответственно к второму и третьему информационным выхо- ,10 дам блока вычисления статистическиххарактеристик, а управляющие входык управляющему выходу переключателярежимов работы, управляющие входыкоторого соединены с выходами соот-ветствуюших элементов сравнения, первый и второй входы каждого из кото,рых подсоединены непосредственно ичерез соответстветствующий элементзадержки к выходу соответствующегоразряда первого регистра, информационный вход которого связан с соответствующим информационным выходом блока вычисления статистических характеристик, информационный вход которого является информационным входом устройства, входы обнуления регистров, переключателя режимов и блока вычисления статистических характеристик соединены с входом обнуле1573-" 1 П П В аа,п, 00 1000 0 О 0700 0 01000 007000 О О 00 о 00 0007 00 1000 Оо аОО ния устройства, причем переключатель"режимов содержит элемент НЕ, элементИЛИ, элемент запрета, счетчик и триггер, единичным выходом соединенный суправляющим выходом переключателярежимов и управляющим выходом элемента запрета, выход и информационныйвход которого связаны соответственно П П В д 12 " И П Л П ОиЪ" Огюсо счетным входом счетчика и выходомэлемента НЕ, вход которого подключенк выходу элемента ИЛИ и входу обнуления счетчика, входы элемента ИЛИ соединены с соответствующими информационными входами переключателя режимов,вход обнуления которого соединен свходом обнуления счетчика. г г 2 2 л 2" м г 52 2 21 222 ИТираж 56 аз ВНИИА Госуд комитета по изобретениям и открытиям лри ГКНТ СМосква, Б, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 1 ственно 11303 орректор Т Палий одписное