某起豎機(jī)構(gòu)起豎速度過慢誤報(bào)警問題分析與對(duì)策

王志勇，李博，劉海陽(yáng)

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京100076）

1 引言

起豎機(jī)構(gòu)在起豎動(dòng)作過程中，需要對(duì)起豎角速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以判斷整個(gè)起豎過程中機(jī)構(gòu)是否按預(yù)設(shè)速度進(jìn)行，進(jìn)而確認(rèn)起豎執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否正常工作。本文以一起數(shù)據(jù)截?cái)嗾`差導(dǎo)致某起豎機(jī)構(gòu)起豎速度過慢的誤報(bào)警故障為例，通過對(duì)數(shù)據(jù)處理方式分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證，確定故障原因，并針對(duì)此類故障提出了相應(yīng)的抑制措施，提高設(shè)備的可靠運(yùn)行水平。

2 起豎系統(tǒng)原理及故障現(xiàn)象

起豎控制系統(tǒng)一般采用軸角傳感器測(cè)量起豎耳軸旋轉(zhuǎn)角度，獲取起豎角度，作為起豎到位的判定。過程中，起豎控制器基于起豎角度進(jìn)行差分計(jì)算，以獲取起豎機(jī)構(gòu)的角速度，根據(jù)不同起豎角度設(shè)定不同起豎目標(biāo)速度，并進(jìn)行速度閉環(huán)控制，輸出對(duì)應(yīng)的液壓控制量，驅(qū)動(dòng)起豎液壓缸伸出，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)起豎過程平穩(wěn)快速動(dòng)作。同時(shí)，起豎過程中對(duì)角速度進(jìn)行閾值判斷，確認(rèn)過程中是否存在速度過快的失控現(xiàn)象，或者速度過慢的機(jī)構(gòu)卡滯故障。

某起豎機(jī)構(gòu)在起豎過程中，報(bào)警起豎角速度過慢，起豎過程異常中止。該機(jī)構(gòu)起豎角速度過慢報(bào)警的觸發(fā)條件是3s內(nèi)角度變化不超過1.2′。檢測(cè)該起豎速度數(shù)據(jù)曲線，發(fā)現(xiàn)起豎角速度存在突變現(xiàn)象，如圖1 所示。該起豎機(jī)構(gòu)的軸角傳感器采用CANopen 接口多圈光電編碼器，起豎控制器采用32 位計(jì)算機(jī)。

圖1 異常速度曲線

3 問題分析和對(duì)策

3.1 問題分析

對(duì)異常機(jī)構(gòu)起豎過程記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，光電編碼器CAN 總線輸出的原始值數(shù)據(jù)曲線平滑，并無(wú)突變現(xiàn)象?；诖嗽紨?shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)室利用控制器和相應(yīng)軟件進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)經(jīng)軟件處理后的起豎角度值呈階梯狀變化，以角度29°～30°為例，起豎角度如圖2 所示，以此起豎角度數(shù)據(jù)計(jì)算出的角速度存在突變，與故障現(xiàn)象相符。

圖2 異常起豎角度

進(jìn)一步分析計(jì)算機(jī)軟件使角度值呈階梯狀變化的原因。多圈編碼器的單圈分辨率為 65 536（16 位），最大圈數(shù)4 096 圈。多圈編碼器原始值包括圈數(shù)和單圈角度分辨值，控制器軟件對(duì)原始值的處理方法如下：

1）按式（1）實(shí)時(shí)計(jì)算多圈編碼器絕對(duì)角度值N：

式中，Q 為多圈編碼器圈數(shù)；n 為多圈編碼器單圈內(nèi)角度分量。

2）在機(jī)構(gòu)回平狀態(tài)下，存儲(chǔ)多圈編碼器絕對(duì)角度值N0，作為起豎角度的基準(zhǔn)值；

3）起豎過程中，按式（2）實(shí)時(shí)計(jì)算起豎角度U：

多圈編碼器絕對(duì)角度值據(jù)存儲(chǔ)為float 型，二進(jìn)制占32位，其中數(shù)據(jù)占23 位，數(shù)據(jù)中包括整數(shù)和小數(shù)，若整數(shù)占位多，則小數(shù)占位少。編碼器圈數(shù)、角度值整數(shù)占位、小數(shù)占位對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1 編碼器圈數(shù)、角度值整數(shù)占位、小數(shù)占位對(duì)應(yīng)關(guān)系

由表1 可知，隨著編碼器圈數(shù)的增大，數(shù)據(jù)處理的分辨率逐漸變差，截?cái)嗾`差逐漸增大[1]。編碼器單圈分辨率65 536（16位），相當(dāng)于360/65 535=0.005 49°，好的數(shù)據(jù)處理，其可分辨的最小角度應(yīng)小于編碼器自身分辨角度。

異常機(jī)構(gòu)光電編碼器CAN 總線輸出的原始值圈數(shù)為4 094～4 095，控制器軟件最小可分辨0.125°，角度變化存在較大階躍，在差分計(jì)算角速度速度時(shí)，導(dǎo)致速度突變，角度變化越緩慢，角速度突變現(xiàn)象越明顯。

起豎動(dòng)作為角速度閉環(huán)控制，起豎過程中實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前角速度值，與設(shè)定的目標(biāo)角速度值進(jìn)行比較，軟件根據(jù)其差值調(diào)整比例流量閥的控制量，并且在接近起豎目標(biāo)角度時(shí)，為避免震蕩，使機(jī)構(gòu)緩慢減速，控制量只減小，不增加。正常情況下，計(jì)算得出的角速度與設(shè)定的目標(biāo)角速度擬合較好，控制量緩慢調(diào)節(jié)直至機(jī)構(gòu)進(jìn)入精度范圍；異常情況下，計(jì)算得出的角速度存在突變，其數(shù)值遠(yuǎn)大于設(shè)定的目標(biāo)角速度。軟件根據(jù)比較結(jié)果，快速減小控制量，一旦控制量減小至比例流量閥死區(qū)值，則機(jī)構(gòu)動(dòng)作極其緩慢或停止動(dòng)作，產(chǎn)生起豎角速度過慢誤報(bào)警。

綜上所述，起豎速度過慢誤報(bào)警問題的原因?yàn)榫幋a器安裝圈數(shù)過大，計(jì)算過程角度數(shù)據(jù)過大，影響控制軟件數(shù)據(jù)處理的分辨率，起豎角度截?cái)嗾`差過大，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算角速度存在突變，起豎閉環(huán)控制異常。

3.2 處理對(duì)策

起豎機(jī)構(gòu)量產(chǎn)過程中，起豎編碼器安裝后，其安裝圈數(shù)是隨機(jī)值，如果將所有編碼器的安裝圈數(shù)調(diào)小，必然帶來(lái)巨大的工作量，因此人工調(diào)整編碼器安裝圈數(shù)不可行。在此情況下，為避免出現(xiàn)計(jì)算過程出現(xiàn)大角度數(shù)據(jù)影響數(shù)據(jù)處理分辨率的問題，可采用如下起豎角度處理方法：

1）在機(jī)構(gòu)回平狀態(tài)下，存儲(chǔ)多圈編碼器圈數(shù)和單圈內(nèi)角度分量，作為起豎角度的基準(zhǔn)值；

2）起豎過程中，按式（3）實(shí)時(shí)計(jì)算起豎角度：

軟件完善后，通過對(duì)實(shí)際起豎機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)驗(yàn)證，角速度曲線平滑，已無(wú)突變現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過某起豎機(jī)構(gòu)起豎速度過慢誤報(bào)警問題的分析、處理和驗(yàn)證，說(shuō)明了數(shù)據(jù)處理截?cái)嗾`差的影響和應(yīng)對(duì)方法。截?cái)嗾`差是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理過程中必然存在的一種特性，在計(jì)算數(shù)值較大，尤其在差分計(jì)算時(shí)，其影響將被放大，甚至影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以關(guān)注。數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)對(duì)處理方法進(jìn)行優(yōu)化，盡量避免較大數(shù)值的數(shù)據(jù)產(chǎn)生。