Instytut Politechniczny Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa

Instytut Politechniczny
Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa
Diagnostyka techniczna w automatyce
Laboratorium nr 1
Generowanie residuum z zastosowaniem modeli analitycznych
Prowadzący: mgr inż. Marcel Luzar
Cele ćwiczenia:
Celem podstawowym jest zapoznanie sie z działaniem i możliwościami detekcji
uszkodzeń wykorzystującymi model obiektu opisany równaniami fizycznymi. Celem
dodatkowym jest nabranie umiejętności w modelowaniu i odczytywaniu zależności
fizycznych opisujących badany obiekt.
1. Detekcja uszkodzeń na podstawie modeli obiektu
Najbardziej zaawansowane metody detekcji uszkodzeń wykorzystują modele obiektu do
generacji residuów. Algorytm testu składa sie z dwóch części: w pierwszej wyliczana jest
wartość residuum na podstawie modelu obiektu, a w części drugiej następuje ocena tej
wartości oraz generacja sygnału diagnostycznego. Residuum wyznaczane jest jako różnica
miedzy wartością mierzona zmiennej procesowej, a wartością obliczona na podstawie
modelu (bądź różnica pomiędzy lewa i prawa strona równania opisującego obiekt). Pełny
model obiektu uzyskać można bezpośrednio z równań fizycznych, np. równań bilansowych.
Modele fizyczne są często nieliniowe, uwikłane względem sygnałów wyjściowych. Model taki
odzwierciedla własności statyczne i dynamiczne obiektu w całym zakresie pracy, podczas gdy
modele liniowe mogą być stosowane jedynie w otoczeniu nominalnego punktu pracy, dla
którego przeprowadzono identyfikacje ich parametrów. Generacja residuów na podstawie
modelu (zwykle nieliniowego) stanowi najbardziej pewna metodę detekcji, o ile model jest
odpowiednio dokładny. Niestety dla wielu obiektów opracowanie modeli na podstawie
równań fizycznych jest bardzo trudne lub wręcz nie możliwe, a identyfikacja ich parametrów
jest często problematyczna. To ogranicza zastosowanie tej metody do obiektów, które są
opisane stosunkowo prostymi zależnościami.
2. Układ hydraulicznego wspomagania kierownicy
Obiektem badanym będzie system hydrauliczny, czyli taki w którym następuje przepływ
płynu. Rozważany będzie układ wspomagania kierownicy, którego schemat został
przedstawiony na Rys. 1. Wejściem systemu sterowniczego jest kat kierownicy i kat kolumny
sterującej, podczas gdy wyjściem jest pozycja wałka zębatki, która określa kąt skręcenia
przednich kół. Istnieje mechaniczne połączenia pomiędzy wałem a kolumna sterującą , za
pomocą mechanizmu zębatkowego, który zamienia ruch rotacyjny kolumny kierowniczej na
ruch posuwisty wału skręcającego koła. Wspomaganie siłowe jest realizowane poprzez
hydrauliczny tłok podłączony do wału. Na kolumnie sterującej znajduje sie drążek skrętny
(zawór). Różnica pozycji kątowej pomiędzy kierownica, a pozycja kątowa zębatki wałka
determinuje częściowe otwarcie zaworu skrętnego. Jeżeli różnica kątowa jest dodatnia to
ciśnienie jest podawane na jedna stronę tłoka, a dla negatywnej różnicy na przeciwna stronę
tłoka. Wspomaganie siłowe jest kontynuowane dopóki różnica w pozycji kierownicy i zębatki
nie jest bliska zeru.
Rys.1. Schemat układu wspomagającego kierownicy http://web.archive.org/web/20070610152306/http://www.me.cmu.edu/ctms/modeling/hy
draulic/simulinkbasics/mainframes.htm
2.1 . Zmienne
W poniższej tabeli znajdują się definicje i wartości zmiennych użytych w tym
przykładzie:
2.2. Krzywa wspomagania
Drążek skrętny posiada wrodzona martwa strefę, w wyniku której dla odpowiednio małych
różnic kątowych nie następuje przepływ przez zawór. Po martwej strefie, wspomaganie jest
w przybliżeniu liniowe dla małych różnic w katach i rośnie wykładniczo dla zwiększających sie
różnic kątowych. Dodatkowym ograniczeniem dla zaworu w pełni otwartego jest
maksymalne ciśnienie dostarczane przez pompę, która powoduje nasycenia w obu
kierunkach.
Krzywa wspomagania można aproksymować następującym równaniem:
P (u ) = 4.41 ⋅ 10 7 u + 4.59 ⋅ 1018 u 9
z martwą strefą o wartości 0.04 i saturacją dla wartości 107.
3. Program ćwiczenia
1. Dokonać symulacji obiektu w środowisku skryptowym Matlab.
2. Utworzyć model obiektu w środowisku Matlab Simulink i dokonać jego symulacji.
3. Utworzyć podsystemy zawierające model obiektu i model rzeczywisty (system).
4. W podsystemie modelu rzeczywistego dołączyć wejście oznaczające uszkodzenie systemu
wspomagania (bądź jego sprawność), zakres sygnału to <0,1> (0-100%). W jaki sposób można
efektywnie symulować uszkodzenia?
5. Wygenerować sygnał residuum i dokonać detekcji uszkodzeń na jego podstawie.
6. Należy zaszumić wyjście modelu rzeczywistego i porównać sygnały residuum z poprzednim
przypadkiem. Zaproponować efektywna metodę diagnostyki w takim przypadku (zastosować
progowanie sygnału residuum).
7. Wykonać sprawozdanie z wykonanego ćwiczenia.
4. Literatura
1. Witczak M., Sterowanie i wizualizacja systemów. Zeszyty naukowe Automatyki i
Robotyki PWSZ w Głogowie
2. Diagnostyka procesów. Modele, metody sztucznej inteligencji, zastosowania. Red:
Korbicz J., Koscielny J.M., Kowalczuk Z., Cholewa W. - Wydawnictwo NaukowoTechniczne, Warszawa, 2002.
3. Koscielny J.M.: Diagnostyka zautomatyzowanych procesów przemysłowych. Akademicka
Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa, 2001.
4. Pieczynski A.: Komputerowe systemy diagnostyczne procesów przemysłowych. Wydawnictwo Politechniki Zielonogórskiej, Zielona Góra, 1999.
5. Pieczynski A.: Reprezentacja wiedzy w diagnostycznych systemach ekspertowych.
- Lubuskie Towarzystwo Naukowe, Zielona Góra, 2003.
6. Piegat A.: Modelowanie i sterowanie rozmyte. - Akademicka Oficyna Wydawnicza
EXIT, Warszawa, 1999.
7. Rutkowska D.: Inteligentne systemy obliczeniowe, Algorytmy genetyczne i sieci
neuronowe