主机冗余多传感器测速数据处理算法研究.pdf

第3 7 卷第4 期上海船舶运输科学研究所学报 V 0 1 3 7N o 4 2 0 1 4 年1 2 月J O U R N A LO FS H A N G H A IS H I PA N DS H I P P I N GR E S E A R C HI N S T I T U T E D e c 2 0 1 4 文章编号：1 6 7 4 5 9 4 9 ( 2 0 1 4 ) 0 4 - - 0 0 1 0 6 主机冗余多传感器测速数据处理算法研究 姚 震，芦宁 ( 上海船舶运输科学研究所，上海2 0 0 1 3 5 ) 摘要：针对船舶主机遥控系统的冗余多传感器测速系统结构，为改进传统的船舶主机测速算法，通过基于测量误 差理论和物理量限值的分析，提出了一种主机冗余多传感器测速数据处理算法。该算法具有转速输入通道故障判 断、转速测量值滤波和冗余多路转速值取舍等功能。经试验应用，达到了预期的效果。 关麓词：主机；冗余多传感器；测速；故障判断 中图分类号：T P 3 3 3文献标志码：A AD a t aP r o c e s s i n gA l g o r i t h mf o rM a i nE n g i n eS p e e dM e a s u r e m e n t sf r o m R e d u n d a n tM u l t i p l eS e n s o r s Y a oZ h e n L “N i n g ( S h a n g h a iS h i pa n dS h i p p i n gR e s e a r c hI n s t i t u t e ，S h a n g h a i2 0 0 1 3 5 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：Ad a t ap r o c e s s i n ga l g o r i t h mi si n t r o d u c e df o rp r o c e s s i n gm a i ne n g i n es p e e dm e a s u r e m e n t sf r o mr e d u n d a n tm u l t i p l e s e n s o r s T h ea l g o r i t h mi sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h es y s t e ms t r u c t u r eo ft h eS h i pM a i nE n g i n eR e m o t eC o n t r o lS y s t e mb a s e d o nt h et h e o r yo fm e a s u r e m e n te r r o ra n dt h ea n a l y s i so fp h y s i c a ll i m i t i n gv a l u eo ft h em e a s u r e m e n t s T h ea l g o r i t h mi n c l u d e st h e f u n c t i o n so fs p e e di n p u tc h a n n e lf a u l td i a g n o s i s ，s p e e dm e a s u r e m e n ts m o o t h i n ga n di n p u tc h a n n e ls e l e c t i o n E x p e r i m e n tt e s t s a n da p p l i c a t i o ne x p e r i e n c es h o wn o t a b l ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t sc o m p a r e dt on o r m a l l yu s e da l g o r i t h m s K e yw o r d s ：m a i ne n g i n e ；r e d u n d a n tm u l t i p l es e n s o r ；r o t a t es p e e dm e a s u r e m e n t ；f a u l td i a g n o s i s 0 引言 主机测速是船舶主机遥控系统的重要功能，是对主机进 行可靠控制的前提，而测速故障则可能对整个主推进系统的 运行乃至船舶的安全航行带来严重影响。图1 是船舶主机遥 控系统较常采用的测速结构简图。 船舶主机遥控系统下层网采用分布式控制结构，根据功 能划分为若干个分布式控制器。各分布式控制器( 如电子调 速器、安全保护控制器等) 相对独立，通过双冗余的现场总线 交互数据。部分分布式控制器需对主机转速进行测量，为保 证测速功能的可靠性，通常采用双路冗余转速输入的方式。 传统的双路冗余测速算法主要看第一路测速通道的转 速，将另一路作为备用；或取两路测速通道测量值中的较大值。 第第 路路 测测 速速 通通 道道 第 二 路 测 速 通 道 圈1船舶主机遥控系统测速结构简图 虽然控制器A 和控制器B 都向现场总线网 收稿日期：2 0 1 4 1 0 2 7 作者简介：姚震( 1 9 8 2 一) ，男，湖南长沙人，助理研究员，硕士，主要从事船舶机舱自动化领域技术研发工作。 第一路测速通道 万方数据 2上海船舶运输科学研究所学报2 0 1 4 年第4 期 络发送测速信息，但转速测量过程中相互之间并不参考对方的测速信息，因此缺少对多路冗余测速信息的充 分利用，不能对测速通道的故障状态进行判断，当同一控制器的两路测速通道的测量值相差较大时难以进行 取舍和处理。 为全面利用多路测速通道提供的冗余数据，充分挖掘冗余测速数据中蕴含的信息，对传统的测速算法进 行优化改进，提出一种主机冗余多传感器测速数据处理算法。各分布式控制器既利用自身采集的两路转速 信息，又参考通过网络交互取得的其他控制器的转速信息进行综合分析，对各测速通道的状态进行判断，对 多路冗余转速值进行取舍。 1 理论分析 1 1 综述 图1 所示的测速系统，若抽象掉2 个分布式控制器的具体功能，将其抽象为只有测速功能的单元，系统 具有对称的特点，既适用于测速单元A 的冗余多路测速数据处理算法也适用于测速单元B 。 测速单元A 中：两路测速通道采用完全相同的测速传感器和硬件电路，用X i 表示测速通道i 在J 时刻 的测量值，i 一1 ，2 ，J 一1 ，2 ，3 ，行，以为最新时刻，测量周期为T 。 测速通道1 在过去以个时刻的测量值为：x u ，X X 。，X 。；测速通道2 在过去咒个时刻的测量值 为：X 2 l ，X 2 2 ，X 2 3 ，X 2 。 若某测速通道发生故障，则不管是传感器、信号转换电路等硬件故障，还是驱动程序B U G 等软件故障， 都将体现在该测速通道测量值异常上。因此，对测速通道测量值的数据特征进行分析，若能识别出测量值的 异常，就可对测速通道的故障状态进行判断，进而以此为依据，进行多路冗余转速值的取舍。 在对物理信号的有效测量中，测量值可表示为式( 1 ) 的形式 1 。 X X + E ，。+ E 。n d ( 1 ) 式( 1 ) 中：X 为物理量的测量值；X 为物理量的准确值；E 。为系统误差；E 。为随机误差。 1 ) 系统误差是指对同一物理量进行多次重复测量始终都存在的测量误差。该误差主要由测量仪器和 测量方法引起，特点是误差值的大小和符号保持不变 2 。 2 ) 随机误差是指因无法预测的不确定因素干扰而产生的测量误差。该误差主要由外部干扰信号、内部 噪声源或某些意外情况的出现引起，特点是误差值的大小和符号均不可预知。 通常情况下，系统误差和随机误差均不能完全消除，只能尽量减小。但通过对两路转速测量值的历史数 据进行分析比较可知：若某一路转速测量值的系统误差或随机误差有明显异常，则怀疑该路转速输入通道出 现了问题；若异常持续一定时间，可判断该路通道出现故障。 根据式( 1 ) ，测速通道1 在过去前个时刻的测量值可表示为 X l ，一X j + E p 山+ E 。棚J( 歹一1 ，2 ，3 ，以) ( 2 ) 测速通道2 在过去行个时刻的测量值可表示为 X 2 ，一墨+ E 删j + E 。胧，( 歹一1 ，2 ，3 ，咒) ( 3 ) 式( 2 ) 、式( 3 ) 中：x 。，和xz ，分别为J 时刻通道1 和通道2 的测量值；墨为J 时刻的准确值；E 删，和E ，z ，分别 为J 时刻通道1 和通道2 的系统误差；E 。棚，和E 。砒，分别为歹时刻通道1 和通道2 的随机误差。 1 2 基于系统误差的分析 式( 2 ) 减式( 3 ) ，对行个时刻所有的数据值求算术平均值的绝对值可得 I 1 = 1 ( X ，一X z j I I 蚤( E 删，- E 嗍) 。1 = 1 1 既删，蚤E m 棚一 ( 4 ) I I 一1J 5 1 士， 行 ，2 靠咒 式( 4 ) 中：由随机误差的性质可知，当n 的值较大时，行个时刻测量值随机误差的算术平均值趋于0 C 3 I ， E 。删，E 删：j 即有L 一一0 ，L 一一0 ，代人式( 4 ) ，得 万方数据 姚震，等：主机冗余多传感器测速数据处理算法研究 3 I 型掣| I 挲 由系统误差的定义可知，系统误差的值为常数。 令 ( 5 ) E 。1 ，一A 1( J 一1 ，2 ，3 ，以) ( 6 ) E 删，一A 2 ( j 一1 ，2 ，3 ，n ) ( 7 ) 式( 6 ) 、式( 7 ) 中：A ，和A 。都为常数。 将式( 6 ) 和式( 7 ) 代入式( 5 ) ，可得 怪1 竺竺1 怪1 全：二纠一h _ A 2 J = l lr 2 A 1 一A 2 L 6 ， 竹砚 定义系数C 。： C s y s I 圣u - - X z j ) I 竹 由式( 8 ) 可知：C 。的值主要体现两路测速通道系统误差的差值。正常情况下，C 。，的值应趋于常数 A 。一A 。I ，若A 。或A 。的值发生较大改变，使c 。，的值超过判断阀值C 。( 即C 。； c ) ，且该现象持续一定时 间，可以判断两路转速输入通道中，至少有一路出现了故障。 1 3 基于随机误差的分析 由式( 2 ) 和式( 3 ) 可得 X l J X 1 ( ，_ 1 ) 一( X J X ( r 1 ) ) + ( E w ；l J E 口洲，- 1 ) ) + ( E 。枷J E 。n d l ( r 1 ) ) ( 1 0 ) X 2 J X 2 ( 厂1 ) 一( X J X ( 厂1 ) ) + ( E 叫，2 J E 邓2 ( 厂1 ) ) + ( E 甩。d 2 j E d 2 ( j1 ) ) ( 1 1 ) 将式( 1 0 ) 减式( 1 1 ) ，并代入式( 6 ) 和式( 7 ) ，可得： ( X l J X 1 ( ，- 1 ) ) 一( X 2 J X zc ，_ 1 ) ) 一( E 。d l J E 。n d l ( j 1 ) ) 一( E 。d 2 j E 。 d 2 ( j 一1 ) ) ( 1 2 ) 由式( 1 2 ) ，对7 个时刻的数据值求和取绝对值，经化简可得 l ( x 。，一X 。，_ 。，) ( x z ，一X zc ，) I l ( E 。删。一E 。棚。) + ( E 。棚- 一E 。棚) I ( 1 3 ) 定义系数C 。材： C 。一I ( x 。，一X 。一，) 一( x 。，一X 。一，) l ( 1 4 ) 由式( 1 3 ) 可知：C 。的值主要与两路测速通道的随机误差有关。正常情况下，C 。耐的值应趋于零，若测速通 道随机误差的值发生较大改变或波动，使C 。村的值超过判断阀值C ：( 即C 。 C 。) ，且该现象持续