主機(jī)冗余多傳感器測(cè)速數(shù)據(jù)處理算法研究

姚 震, 蘆 寧

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所， 上海 200135)

0 引 言

圖1 船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)測(cè)速結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

主機(jī)測(cè)速是船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)的重要功能，是對(duì)主機(jī)進(jìn)行可靠控制的前提,而測(cè)速故障則可能對(duì)整個(gè)主推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行乃至船舶的安全航行帶來(lái)嚴(yán)重影響。圖1是船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)較常采用的測(cè)速結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)下層網(wǎng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)，根據(jù)功能劃分為若干個(gè)分布式控制器。各分布式控制器(如電子調(diào)速器、安全保護(hù)控制器等)相對(duì)獨(dú)立，通過(guò)雙冗余的現(xiàn)場(chǎng)總線交互數(shù)據(jù)。部分分布式控制器需對(duì)主機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，為保證測(cè)速功能的可靠性，通常采用雙路冗余轉(zhuǎn)速輸入的方式。

傳統(tǒng)的雙路冗余測(cè)速算法主要看第一路測(cè)速通道的轉(zhuǎn)速，將另一路作為備用;或取兩路測(cè)速通道測(cè)量值中的較大值。雖然控制器A和控制器B都向現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送測(cè)速信息，但轉(zhuǎn)速測(cè)量過(guò)程中相互之間并不參考對(duì)方的測(cè)速信息，因此缺少對(duì)多路冗余測(cè)速信息的充分利用，不能對(duì)測(cè)速通道的故障狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)同一控制器的兩路測(cè)速通道的測(cè)量值相差較大時(shí)難以進(jìn)行取舍和處理。

為全面利用多路測(cè)速通道提供的冗余數(shù)據(jù)，充分挖掘冗余測(cè)速數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的信息，對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)速算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提出一種主機(jī)冗余多傳感器測(cè)速數(shù)據(jù)處理算法。各分布式控制器既利用自身采集的兩路轉(zhuǎn)速信息，又參考通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交互取得的其他控制器的轉(zhuǎn)速信息進(jìn)行綜合分析，對(duì)各測(cè)速通道的狀態(tài)進(jìn)行判斷，對(duì)多路冗余轉(zhuǎn)速值進(jìn)行取舍。

1 理論分析

1.1 綜述

圖1所示的測(cè)速系統(tǒng)，若抽象掉2個(gè)分布式控制器的具體功能，將其抽象為只有測(cè)速功能的單元，系統(tǒng)具有對(duì)稱的特點(diǎn)，既適用于測(cè)速單元A的冗余多路測(cè)速數(shù)據(jù)處理算法也適用于測(cè)速單元B。

測(cè)速單元A中：兩路測(cè)速通道采用完全相同的測(cè)速傳感器和硬件電路，用Xij表示測(cè)速通道i在j時(shí)刻的測(cè)量值，i=1,2，j=1,2,3,…,n，n為最新時(shí)刻，測(cè)量周期為T(mén)。

測(cè)速通道1在過(guò)去n個(gè)時(shí)刻的測(cè)量值為：X11,X12,X13,…,X1n；測(cè)速通道2在過(guò)去n個(gè)時(shí)刻的測(cè)量值為：X21,X22,X23,…,X2n。

若某測(cè)速通道發(fā)生故障，則不管是傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路等硬件故障，還是驅(qū)動(dòng)程序BUG等軟件故障，都將體現(xiàn)在該測(cè)速通道測(cè)量值異常上。因此，對(duì)測(cè)速通道測(cè)量值的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行分析，若能識(shí)別出測(cè)量值的異常，就可對(duì)測(cè)速通道的故障狀態(tài)進(jìn)行判斷，進(jìn)而以此為依據(jù)，進(jìn)行多路冗余轉(zhuǎn)速值的取舍。

在對(duì)物理信號(hào)的有效測(cè)量中，測(cè)量值可表示為式(1)的形式。

(1)

1) 系統(tǒng)誤差是指對(duì)同一物理量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量始終都存在的測(cè)量誤差。該誤差主要由測(cè)量?jī)x器和測(cè)量方法引起，特點(diǎn)是誤差值的大小和符號(hào)保持不變。

2) 隨機(jī)誤差是指因無(wú)法預(yù)測(cè)的不確定因素干擾而產(chǎn)生的測(cè)量誤差。該誤差主要由外部干擾信號(hào)、內(nèi)部噪聲源或某些意外情況的出現(xiàn)引起，特點(diǎn)是誤差值的大小和符號(hào)均不可預(yù)知。

通常情況下，系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差均不能完全消除，只能盡量減小。但通過(guò)對(duì)兩路轉(zhuǎn)速測(cè)量值的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較可知：若某一路轉(zhuǎn)速測(cè)量值的系統(tǒng)誤差或隨機(jī)誤差有明顯異常，則懷疑該路轉(zhuǎn)速輸入通道出現(xiàn)了問(wèn)題；若異常持續(xù)一定時(shí)間，可判斷該路通道出現(xiàn)故障。

根據(jù)式(1)，測(cè)速通道1在過(guò)去n個(gè)時(shí)刻的測(cè)量值可表示為

(2)

測(cè)速通道2在過(guò)去n個(gè)時(shí)刻的測(cè)量值可表示為

(3)

1.2 基于系統(tǒng)誤差的分析

式(2)減式(3)，對(duì)n個(gè)時(shí)刻所有的數(shù)據(jù)值求算術(shù)平均值的絕對(duì)值可得

(4)

(5)

由系統(tǒng)誤差的定義可知，系統(tǒng)誤差的值為常數(shù)。

令

Esys1j=A1(j=1,2,3,…,n)

(6)

Esys2j=A2(j=1,2,3,…,n)

(7)

式(6)、式(7)中：A1和A2都為常數(shù)。

將式(6)和式(7)代入式(5)，可得

(8)

定義系數(shù)Csys：

(9)

由式(8)可知：Csys的值主要體現(xiàn)兩路測(cè)速通道系統(tǒng)誤差的差值。正常情況下，Csys的值應(yīng)趨于常數(shù)|A1-A2|，若A1或A2的值發(fā)生較大改變，使Csys的值超過(guò)判斷閥值C1(即Csys>C1),且該現(xiàn)象持續(xù)一定時(shí)間，可以判斷兩路轉(zhuǎn)速輸入通道中，至少有一路出現(xiàn)了故障。

1.3 基于隨機(jī)誤差的分析

由式(2)和式(3)可得

(10)

(11)

將式(10)減式(11)，并代入式(6)和式(7)，可得：

(X1j-X1(j-1))-(X2j-X2(j-1))=(Erand1j-Erand1(j-1))-(Erand2j-Erand2(j-1))

(12)

由式(12)，對(duì)n個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)值求和取絕對(duì)值，經(jīng)化簡(jiǎn)可得

(13)

定義系數(shù)Crand：

(14)

由式(13)可知：Crand的值主要與兩路測(cè)速通道的隨機(jī)誤差有關(guān)。正常情況下，Crand的值應(yīng)趨于零，若測(cè)速通道隨機(jī)誤差的值發(fā)生較大改變或波動(dòng)，使Crand的值超過(guò)判斷閥值C2(即Crand>C2),且該現(xiàn)象持續(xù)一定時(shí)間，可以判斷兩路轉(zhuǎn)速輸入通道中，至少有一路出現(xiàn)了故障。

1.4 基于物理量限值的分析

主機(jī)的轉(zhuǎn)速有上、下限值，正常情況下，各測(cè)速通道的測(cè)量值有上限和下限，即有

Xmin≤Xij≤Xmax

(15)

顯然有

0≤Xij≤Xmax

(16)

對(duì)于任一主機(jī)，可根據(jù)主機(jī)參數(shù)確定Xmax，進(jìn)而確定判斷閥值C3，有

0≤Xij≤Xmax

(17)

若

Xij>C3

(18)

且該現(xiàn)象持續(xù)一定時(shí)間，可以判斷測(cè)速通道i發(fā)生故障。

1.5 基于物理量變化率限值的分析

主機(jī)加速和減速過(guò)程的加速度有一定限值。

若Xij-Xi(j-1)>0，說(shuō)明主機(jī)在加速過(guò)程中。對(duì)于任一主機(jī)，可以確定其加速度的上限，進(jìn)而確定判斷閥值C4，有

Xij-Xi(j-1)

(19)

若

Xij-Xi(j-1)>C4

(20)

且該現(xiàn)象持續(xù)一定時(shí)間，可以判斷測(cè)速通道i發(fā)生故障；若Xij-Xi(j-1)<0，說(shuō)明主機(jī)在減速過(guò)程中。對(duì)于任一主機(jī)，可以確定其減速度的上限，進(jìn)而確定判斷閥值C5，有

|Xij-Xi(j-1)|

(21)

若

Xij-Xi(j-1)<0，且Xi(j-1)-Xij>C5

(22)

且該現(xiàn)象持續(xù)一定時(shí)間，可以判斷測(cè)速通道i發(fā)生故障。

1.6 測(cè)速信號(hào)中斷故障分析

若一路測(cè)速通道的轉(zhuǎn)速測(cè)量值為0，另一路通道的轉(zhuǎn)速測(cè)量值為大于0的合理值，即

X1j=0，且0

(23)

或

X2j=0，且0

(24)

且網(wǎng)絡(luò)上交互的其他單元的轉(zhuǎn)速測(cè)量值也為大于0的合理值，該現(xiàn)象持續(xù)一定時(shí)間，可以判斷該測(cè)速通道發(fā)生測(cè)速信號(hào)中斷故障，如斷線故障、傳感器故障、信號(hào)輸入電路故障等。

2 算法研究

2.1 轉(zhuǎn)速輸入通道故障判斷

基于以上對(duì)各故障情況的分析，引入各故障因素的懷疑系數(shù)CHi_Faultk，i=1,2，k=1,2,3,4。CHi_Fault1為基于測(cè)速數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差分析，測(cè)速通道i系統(tǒng)誤差異常故障懷疑系數(shù)；CHi_Fault2為基于測(cè)速數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差分析，測(cè)速通道i隨機(jī)誤差異常故障懷疑系數(shù)；CHi_Fault3為基于測(cè)速數(shù)據(jù)物理量限值分析，測(cè)速通道i測(cè)量值超限故障懷疑系數(shù)；CHi_Fault4為基于測(cè)速數(shù)據(jù)物理量變化率限值分析，測(cè)速通道i測(cè)量值變化率超限故障懷疑系數(shù)。

測(cè)速單元A測(cè)速數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，根據(jù)最新測(cè)量數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)隊(duì)列中的歷史數(shù)據(jù)，參考測(cè)速單元B由現(xiàn)場(chǎng)總線傳送的最新測(cè)速數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算和判斷。若新測(cè)數(shù)據(jù)的特征符合某故障情況的數(shù)據(jù)特征，則增大相應(yīng)故障因素的懷疑系數(shù)；若不符合，則減小相應(yīng)故障因素的懷疑系數(shù)。

再引入測(cè)速單元A測(cè)速通道i總的故障判定系數(shù)CHi_Fault，i=1,2。

(25)

式(25)中:Wk為加權(quán)系數(shù)，k=1,2,3,4，體現(xiàn)各故障因素對(duì)最終故障判定的影響程度。

若測(cè)速通道i發(fā)生故障，且假設(shè)該故障持續(xù)，隨時(shí)間的累積，相應(yīng)故障因素的懷疑系數(shù)將越來(lái)越大，使得總的故障判定系數(shù)CHi_Fault越來(lái)越大;若CHi_Fault的值超過(guò)故障判定閥值C6，即CHi_Fault>C6,則判定測(cè)速通道i故障。

用A_CH_No表示測(cè)速單元A狀態(tài)正常的測(cè)速通道數(shù)量，用B_CH_No表示測(cè)速單元B狀態(tài)正常的測(cè)速通道數(shù)量。

2.2 轉(zhuǎn)速值濾波計(jì)算

(26)

式(26)中:a∈[0,1]，i為通道號(hào)，i=1,2。對(duì)最新m個(gè)時(shí)刻的測(cè)量值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算。a和m的值需綜合考慮轉(zhuǎn)速值濾波的平滑度、靈敏度等因素，根據(jù)實(shí)際濾波效果整定。

2.3 多路冗余轉(zhuǎn)速值取舍

基于轉(zhuǎn)速輸入通道故障判斷和轉(zhuǎn)速值濾波，運(yùn)用多路冗余轉(zhuǎn)速值取舍算法，從多路冗余轉(zhuǎn)速中選擇最可信的轉(zhuǎn)速。

測(cè)速單元A多路冗余轉(zhuǎn)速值取舍規(guī)則：

圖2 測(cè)速數(shù)據(jù)處理算法主體流程圖

2.4 算法實(shí)施流程

測(cè)速單元A測(cè)速數(shù)據(jù)處理算法主體流程見(jiàn)圖2。

主流程中,根據(jù)式(18)進(jìn)行判斷、處理得CHi_Fault3值的具體流程見(jiàn)圖3，基于測(cè)速數(shù)據(jù)的物理量限值分析；根據(jù)式(20)和式(22)進(jìn)行判斷、處理得CHi_Fault4值的具體流程與圖3所示流程類似，基于測(cè)速數(shù)據(jù)的物理量變化率限值分析；根據(jù)Csys>C1及測(cè)速單元B的相關(guān)信息進(jìn)行判斷、處理得CHi_Fault1值的具體流程見(jiàn)圖4，基于測(cè)速數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差分析；根據(jù)Crand>C2及測(cè)速單元B的相關(guān)信息進(jìn)行判斷、處理得CHi_Fault2值的具體流程與圖4流程類似，基于測(cè)速數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差分析。

圖3 計(jì)算CHi_Fault3值具體流程

圖4 計(jì)算CHi_Fault1值具體流程

3 結(jié) 語(yǔ)

船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)基本都須采用冗余多路測(cè)速通道對(duì)主機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)速算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提出了一種主機(jī)冗余多傳感器測(cè)速數(shù)據(jù)處理算法。基于測(cè)量誤差理論，通過(guò)對(duì)測(cè)速通道測(cè)量值的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行分析，識(shí)別測(cè)量值的異常，判斷測(cè)速通道的狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)多路冗余轉(zhuǎn)速進(jìn)行濾波值計(jì)算和多路取舍。該算法已在實(shí)驗(yàn)室條件下的某主機(jī)遙控系統(tǒng)樣機(jī)上實(shí)施應(yīng)用，通過(guò)對(duì)各測(cè)速通道轉(zhuǎn)速輸入信號(hào)異常進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，初步驗(yàn)證該算法能對(duì)測(cè)量值超限、測(cè)速通道斷線等故障進(jìn)行判斷，能對(duì)兩路測(cè)速信號(hào)相差較大等情況進(jìn)行判斷和處理，能從多路冗余轉(zhuǎn)速中選出置信度較高的值，轉(zhuǎn)速測(cè)量準(zhǔn)確，具有一定實(shí)際應(yīng)用參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 盛驟，謝式千，潘承毅.概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2] 徐立華.船舶柴油機(jī)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006.

[3] 張志東，魏懷鵬，展永.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[4] 鄒逢興.計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，1998.

[5] 孟立凡，鄭賓.傳感器原理及技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.