（电力电子与电力传动专业论文）船舶自动舵故障诊断系统设计与实现.pdf

a b s t r a c t t h ea l l t o m a t i ci n s t r u m e n to fs h i pm a n e u v e r i n gn a m e da u t o m a t i cr u d d e r , i tis a l li n d i s p e n s a b l ee q u i p m e n ti ns h i p p i n gm a n e u v e r i n g ，t h a ti su s e dt om a i n t a i na g i v e nd i r e c t i o no rt r a c k t h ec u r r e n t ，t h ea u t o m a t i cr u d d e r d i dn o th a v et h es p e c i a l f a u l td i a g n o s i ss y s t e m ，i tw a su r g e n tf o rr e p a i rs h o pt oe m p l o yas e to fi n t e l l i g e n t f a u l td i a g n o s i ss y s t e mo fc a r r y i n go nr e a s o n a b l ee x a m i n a t i o nt oi t b a s e do i lt h e r e s e a r c ho ft h e o r ya n dc o m b i n e dw i t hs c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c t ，d e s i g na n d r e a l i z a t i o no fs h i pa u t o m a t i cr u d d e rf o rm i c r o c o m p u t e rc o n t r o lf a u l td i a g n o s i s s y s t e m ，a n dr e s e a r c h e do nt h ea u t o m a t i cr u d d e r f a u l td i a g n o s i sf u z z ye x p e r t s y s t e ma n da n e wm e t h o do ff a u l td i a g n o s i sw i t ht h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s w i t ht h ed e e pr e s e a r c ho nt h ep r i n c i p l eo fa u t o m a t i cr u d d e ra n du n d e r s t a n d s o f t w a r ea n dh a r d w a r e ss y s t e ms t r u c t u r e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dp h y s i c a l m o d e lo fa u t o m a t i cr u d d e rh a se s t a b l i s h e d t h ec h a r a c t e r i s t i co ff a u l td e t e c t i o n s a u t o m a t i c r u d d e rh a sb e e ne s t a b l i s h e do nt h ep a p e r , i tw a si m p o r t a n t f o r s i m u l a t i o no ff a u l td i a g n o s i ss y s t e ma n dt h ei d e n t i f i c a t i o no fp a r a m e t e r , a n di th a s p r o v i d e dt h er e f e r e n c ef o rt h ef o l l o w i n gf a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s i s a c c o r d i n gt oa c t u a ls i t u a t i o no ft h ea u t o m a t i c r u d d e r f o rm i c r o c o m p u t e r c h a n n e l s ，e s t a b l i s h e df a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s i ss y s t e mo fa u t o m a t i cr u d d e r f o rm i c r o c o m p u t e rc h a n n e l su s e dt h es t r u c t u r eo fl a m i n a t i o na n dh i e r a r c h i c a l t h e s y s t e mf i r s tf l o o rw a sb a s e do nt h ee m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r ss i g n a l d e t e c t i o n u n i t ，i tw a sr e s p o n s i b l et og a i nt h em i c r o c o m p u t e rc h a n n e l s c o n t r o ls y s t e m b u s e sa sw e l la st h es i g n a lo fp r e t r e a t m e n t ；t h es y s t e mi n t e r m e d i a t el e v e li s t h e s u b s y s t e mo fc o m m u n i c a t i o n ，i tw a sr e s p o n s i b l et o c a r r y i n gs o m ed e t e c t i n g e l e m e n ti n f o r m a t i o nf r o mt h ef i r s tf l o o rt oc e n t r a l i s mt r a n s m i s s i o n ；t h es y s t e m t o pl a y e rf o rm ef a u l td i a g n o s i sa n dt h ed i s p l a ys u b s y s t e m ，i tw a sr e s p o n s i b l et o t h em i c r o c o m p u t e rc h a n n e l si n f o r m a t i o n c a r r i e so nt h eq u a li t ys y n t h e t i c e v a l u a t i o n 。d r a wt h ec o n c l u s i o no ff a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s e sf i n a l l y t h es t r u c t u r eo fa u t o m a t i cr u d d e rs y s t e mi sc o m p l e x ，a n dm a n yf a u l t s a r e 哈尔滨r 群大学硕十学1 _ 奇：论文 d i f f i c u l tt oe x p r e s sb yt h ep r e c i s ef o r m u l a ，s oa ne x p e r ts y s t e mf o ra u t o m a t i c r u d d e rf a u l td i a g n o s i sb a s e do nf u z z yr e a s o n i n gw a sp r o p o s e d t h i sm e t h o dc a n i m p r o v et h ea u t o m a t i cr u d d e rf a u l td i a g n o s i se f f i c i e n c ya n dt h er e l i a b i l i t y t h e f a u l t d i a g n o s i ss y s t e mc o m b i n e df u z z ym a t h e m a t i c s ，f u z z yd i a g n o s i sp r i n c i p l e ， e x p e r te x p e r i e n c e sa n du s e dt h ef u z z yp r o d u c t i o nk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n m e t h o d ，d e f i n i n gf u z z y r e l a t i o n a lm a t r i xa n ds e m a n t i cd i s t a n c e ，d e s i g n e d h a r d w a r ep l a t f o r ma n dr e a l i z e de a c hf u n c t i o n a lm o d u l eo ft h ea u t o m a t i cr u d d e r f a u l td i a g n o s i sf u z z ye x p e r ts y s t e m i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mw h i c hf a u l td i a g n o s i si sd i f f i c u l ti d e n t i f i e di n a n a l o gc i r c u i t ，an e wm e t h o do ff a u l td i a g n o s i sw i t ht h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s w a sp r o p o s e d b yu s eo fc i r c u i ts i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h i sm e t h o dg a v et h ev o l t a g e f r e q u e n c yr e s p o n s eu n d e rv a r i o u sm o d eo ff a u l ta n de x t r a c t e dt h er e p r e s e n t a t i v e f a u l tc h a r a c t e r i s t i c o nt h eb a s i so fs u p p o r tv e c t o rm a c h i n e sm o d e lo ft h ef a u lt d i a g n o s i sf o ra n a l o gc i r c u i t sh a ss e tu p ，t h i sm e t h o dc o u l da c h i e v ed i a g n o s i so ft h e e l e m e n tf a u l t si n a n a l o gc i r c u i t se f f e c t i v e l y , a n dh a ss t r o n gr o b u s t n e s sa g a i n s t u n c e r t a i n t i e so f ft h ef a u l t d i a g n o s i sm a t h e m a t i c a lm o d e lc a u s e db ye l e m e n t t o l e r a n c e ，t h em e t h o di sa l s os u i t a b l ef o rf a u l td i a g n o s i so fn o n l i n e a rc i r c u i t s t h e v a l i d i t yo ft h i sn e wm e t h o di sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：a u t o m a t i cr u d d e r ；f u z z yr e a s o n i n g ；e x p e r ts y s t e m ；f a u l td i a g n o s i s ； s u p p o i r tv e c t o rm a c h i n e s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 哈尔滨jl ：程人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 本论文是结合实际的科研项目进行的，论文的部分研究成果己应用于某 工程项目。 自动操舵仪是舰船的重要导航装备，简称船舶自动舵，是一种用来对舰 船航向进行自动调节的装置。它的f 常可靠运行影响着其它相关航行系统 的工作。船舶自动舵应用在要求较高的场合，船舶自动舵系统已经进行了抗 振动、抗冲击方面的设计，硬件线路板以小板插件模块为主，并采用高可靠 连接件相连，使它具有了控制精度高、稳定性强、可靠使用寿命长、结构孥 固等特点，但是系统经过长时间的连续工作使用后，势必造成仪器的各元器 件的老化和磨损，因此急需一套智能自动化检测系统能够对其进行全面合理 的检测，并可以给出故障诊断分析。 某型自动舵设计方案合理，可靠性好，采用了经典的p i d 控制技术，基 本满足了大、中、小型舰艇保持航向和改变航向的要求。现在我国的大部分 舰船上均装备有该型船舶自动舵。目前，某型自动舵尚没有专用的故障自动 诊断系统，当前的维修方法不能满足快速保障和应急保障的需要，而且不能 准确判断故障部位，维修费用高。研究某型船用自动舵的工作原理，并分析 其常见故障的发生机理，采用计算机技术和现代故障检测技术，研制种能 全面、快速、准确地检测船用自动舵的自动诊断系统，是目前急需解决的问 题。 船舶自动舵系统结构复杂，本文结合宰宰科研项目( 某型自动舵数字控制 系统微机通道故障诊断) 为背景，针对某型自动舵数字控制系统。该故障诊 断系统能够实现自动检测和专家珍断，可全面、快速、准确地检测某型自动 舵数字控制系统微机通道的故障，提高测试维修的工作效率，减少对生产厂 家的依赖，提高装备维修部门的维修保障能力，缩短对装备的维修时间，增 强装备的使用效率。该系统的研制可以为同类自动舵的维修保障提供强有力 的技术支持，具有显著的专用设备维修维护实用价值，对提高技术装备现代 化具有重要意义。 哈尔滨r 程大学硕士! 亨：位论文 1 2 故障诊断的研究现状及发展 故障诊断技术( f a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s i s ，f d d ) 包括故障检测、故障分 离和故障辨识等，它能够判断故障发生与否、发生时刻，并确定故障的类型 和位置，进一步在分离出故障后确定故障的大小和时变特性。同时又是- - i - 1 综合性技术，它涉及现代控制论、信号处理与模式识别、计算机科学、人工 智能、电子技术、统计数学等诸多学科1 2 1 。 基于解析冗余的故障诊断技术起源于1 9 7 1 年麻省理工学院的b e a r d 发 表的论文以及m e h r a 和p e s c h o n 发表在a u t o m a t i c a 上的论文。b e a r d 首先提 出了用解析冗余代替硬件冗余，并通过系统的自组织使系统闭环稳定，通过 比较观测器的输出得到系统故障信息的新思想，标志着这门技术的开端p j 。 我国是在8 0 年代丌始开展的f d d 方面的研究。 所谓故障，广义的讲，可以理解为任何系统的异常现象，使系统表现出 所不期望的特性。故障诊断技术主要包含三方面的内容：故障检测、故障隔 离、故障辨识。所谓故障检测是判断系统中是否发生了故障及检测出故障发 生的时刻；故障隔离就是在检测出故障后确定故障的位置和类型；故障辫谚l 是指在分离出故障后确定故障的大小和时变特性。从本质上讲，故障诊断技 术是一个模式分类与识别问题，即把系统的运行状态分为正常和异常两类， 而异常的信号样本究竟又属于哪种故障，这又属于一个模式识别的问题。近 几十年来，故障诊断技术得到了深入广泛的研究，提出了众多可行的方法。 文献 2 , 3 , 4 1 给出了较为详细的评述。 故障诊断包括诊和断两方面的任务，诊即是查找故障发生征兆的过程， 断就是根据诊的结果作出相应的决策。与此相应，故障诊断过程可分为“信息 的采集、处理”和“状态识别、故障诊断和决策”两部分，故障珍断流程如图 1 1 所示。 2 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 图1 1 故障诊断流程示意 故障诊断技术发展过程中，在不同的应用领域与不同的学科相结合产生 了多种故障诊断方法，概括地讲，现有的故障诊断方法可以分成两大类1 5 j ： 传统故障诊断方法和基于人工智能的故障诊断方法。传统故障诊断方法又可 再分为基于信号处理的方法和基于解析模型的方法两类【6 】。每类诊断方法中 都包括了若干具体的诊断方法，如图1 2 所示。 故障诊断方法 传统方法 基于人工智能的方法 专家系统的方法 基于案例的方法 基于人工神经网络的方法 基于模糊数学的方法 基于故障树的方法 数据融合的方法 图1 2 故障诊断方法分类 在2 0 0 6 年2 月国务院发布的国家中长期科学和技术发展规划纲要2 0 0 6 2 0 2 0 年) 中，已将“重大产品和重大设施寿命预测技术”列为需要重点研 究的前沿技术之一，而故障诊断与预测技术正是其核心技术之一。一些重要 法法法法法 法度析计问数析密分估空参分率关态价程 谱概相状等过 法 法 方 方 的 的 理 型 处 模 号 析 信 解 于 于 基 基 哈尔滨l ：挥人学硕十学位论文 的研究方向包括i7 j 基于数据驱动的复杂系统故障诊断与预测技术这里的复杂系统是指具 有高维、非线性、强偶合、随机噪声和输入时延的控制系统，这类系统的特 点是很难建立起精确的数学模型。但通过d c s 等数据采集装置，我们可以得 到其大量的历史和实时数据。如何根据这些数据建立预测预报系统运行状态 的数学模型，基于这些预测模型动态地评估系统的可靠性和安全性，就成为 保证复杂系统安全可靠运行的关键难题。 基于半定量信息的复杂系统故障诊断与预测技术系统运行状态的监测 数据客观地反应了系统运行的安全性与可靠性，但人们对系统工作状态的评 价不仅仅依赖于这些数据，还依赖于人们在长期实践中积累起来的经验认识， 如何综合利用这些客观信息和主观经验，即：半定量信息，对复杂系统的运行 状态及其可靠性与安全性进行评估，实现故障诊断与预报，提高诊断和预测 的性能也是急迫需要解决的问题。 基于多源信息的复杂系统故降诊断与预测技术当所获取的系统的输出 信息具有本质区别时，如：既有压力、流量、温度等常规信息，又有部分图像 信息时，如何对这些信息进行有效融合，提取系统本质信息进行诊断与预测， 仍是一个有待解决的问题。 1 3 专家系统的研究现状 专家系统的早期先导者之一，斯坦福大学的e d w a r df e i g e n b a u m 教授， 把专家系统定义为“一种智能的计算机程序，它运用知识和推理来角犁决只有专 家爿信邑解决的复杂问题”。也就是说，专家系统是一种模拟专家决策能力的计 算机系统，是以人类专家水平去解决某一领域中困难问题的计算机程序p 1 。 专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 作为人工智能的一个重要分支，自上世纪 6 0 年代产生以来，经过多年的科学研究，理论和技术日臻完善，其应用得到 了飞速发展p 1 。专家系统工作效率高，能提高解决问题的质量，还能不断 继承和发展专家经验，目前已应用到医疗诊断、化学工程、语言识别、图像 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 处理、地质勘探、石油、军事等诸多领域，其中不少系统在性能上已达到甚 至超过了同领域人类专家的水平，已经产生或正在产生巨大的经济效益和社 会影n l 句。 专家系统的研制促进了人工智能理论和技术的发展，丌辟了计算机求解 非数值问题的有效途径。专家系统已成为世界各国最热门的竞争性研究课题， 日本、美国、英国等国家纷纷将其列为国家重点研究项目，投入了大量的人 力和资金，日本把专家系统作为第五代计算机研究的核心内容，英国已将专 家系统智能数据库列入国家四大重点项目。我国对于专家系统的研究工作起 步较晚，但经过多年的艰苦努力，已经在理论研究和应用丌发面取得了很大 的进展，在中医治疗、油井记录分析、地震预测、气象预报、军事指挥、作 战模拟、战场管理等方面研制了一批专家系统，取得了明显的经济效益和社 r l l l 会影响”“。 专家系统是人工智能中最富有成就的学科分支之一，专家系统的存在与 发展已毋庸置疑。今后，实用的专家系统会更多，不仅在科技领域内，而且 在经济管理、军事指挥、人文科学等领域中发挥作用。目前，专家系统的研 究和应用水平还不是很高，它的理论、方法和技术正通过实践得到丰富和发 展，通过研制大量的实用专家系统以积累经验，这是过去一段时间内的主要 研究趋势。 随着经验的不断积累、研究的不断深入，对专家系统从系统的理论、方 法和结构入手，展丌全面的研究，今后一段时间内，专家系统的研究主要集 中以下几个方面【1 2 , 1 3 】： 1 知识的表示方面。如何将多种知识表示方法有机结合，这样不仅可 以解决单纯知识表示方法能力有限的问题，也避免了针对一个专家系统设计 一种新的知识表示方法。 2 知识的获取。包括知识的提取、多位专家知识的提取、确定适当知 识量、知识的添加和知识的使用频度。 3 推理功能。从许多事实关系中找出其规律性，弄清自动生成元知识 的归纳推理，利用知识问类比关系的类比推理，利用非单调逻辑的常知识进 行学习的深层推理，对于克服现有专家系统中的许多缺点都是必须的。 哈尔滨：1 ：科人学硕十学位论文 1 4 支持向量机理论国内外发展概况 支持向量机( s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s ，简称s v m ) 是由v a p n i k 及其领导的 a t & tb e l l 实验室研究小组提出的一种新的非常有发展前景的机器学习方 法。 基于数据的机器学习问题是现代智能技术的重要方面，研究从观测数据 ( 样本) 出发寻找规律，利用这些规律对未来数据或无法观测的数据进行预报， 包括模式识别、神经网络等在内，现有机器学习方法共同的重要理论基础之 是统计学。传统统计学研究的是样本数目趋于无穷大时的渐近理论，现有 学习方法也多是基于此假设，但在实际问题中，样本数往往是有限的，因此 一些理论上很优秀的学习方法实际中表现却可能不尽人意。 与传统统计学相比，统计学习理论( s t a t i s t i c a ll e a r n i n g t h e o r y ，s l t ) 是一 种专门研究小样本情况下机器学习规律的理论。作为s v m 的奠基者v v a p n i k 早在6 0 年代就开始了统计学习理论的研究【1 4 , 1 5 ：1 9 7 1 年，v v a p n i k 和 a c h e r b o n e n k i s 提出了s v m 的重要理论基础v c 维理论，k i m e l d o r f 用 s v 的核空间解决非线性问题；1 9 8 2 年，v v a p n i k 进一步提出了具有划时代 意义的结构风险最小化原理，蜞称s v m 算法的基石【1 6 1 ：1 9 9 2 年，b o s e r ， g u y o na n dv a p n i k 提出了最优边界分类器【l7 】1 9 9 3 年，c o r t e s 和v a p n i k 进一 步探讨了非线性最优边界的分类问题【l8 】；1 9 9 5 年，v a p n i k 完整地提出了s v m 分类，系统描述了统计学习理论 1 9 】；1 9 9 7 年，v v a p n i k 、a s m o l a 等详细介 绍了基于s v m 方法的回归算法和信号处理方法【2 0 】。 v v a p i n k 对统计学习理论及s v m 的研究作了开拓性的工作， b s c h o l k o p f ，j s h a w e t a y l o r ，d a m c a l l e s t e r ，r h e r b r i c h 等人在s v m 及相 关理论研究方面作了大量的工作，t j o a c h i m s ，j c p l a t t ，s s k e e r t h i 等人在 s v m 的实现算法方面作了大量的研究【2 1 , 2 2 。另外许多学者在研究一些新型的 支持向量机，如加权支持向量机【2 3 】及模糊、粗糙集支持向量机 2 4 , 2 5 1 等。在美 国科学杂志上，支持向量机以及核学习方法被认为是“机器学习领域非常流行 的方法和成功例子，并是一个十分令人瞩目的发展方向”。它己初步表现出很 多优于已有方法的性能，些学者认为，s l t 和s v m f 在成为继神经网络 研究之后新的研究热点，并将有力地推动机器学习理论和技术的发展。 6 哈尔滨i ：科大：孚：硕十号：何论文 国内研究也取得了长足的进展，清华大学在s v m 领域的研究取得了众 多的成果，国立台湾大学的林智仁博士在s v m 实现算法的收敛性研究方面 作了大量工作【2 6 乏7 1 。清华大学张学工博士将v v a p n i k 的经典著作“t h en a t u r e o fs t a t i s t i c a ll e a r n i n gt h e o r y ”译成中文，并在2 0 0 0 年出版，这极大地推动了 国内统计学习理论及s v m 的研究弘引。 s v m 理论研究取得了很大进展，在模式识别、回归估计、概率密度函数 估计等领域均有应用成果。在模式识别方面，最突出的应用研究是贝尔实验 室对美国邮政手写数字库进行的实验，用三种支持向量机方法得到的错误率 分别为4 o 、4 1 、4 2 ，优于决策树和神经网络方法。在人脸检测与识别 领域，m i t 用支持向量机进行的人脸检测实验也取得了很好的效果【z9 | ，可以 较好地学会在图像中找出可能的人脸位置，国内也有了较多研究成果。支持 向量机还广泛用于图像处理，在图像分割、图像检测、图像检索等方面都得 到了良好应用，在遥感图像分析、语音识别、文本分类、三维物体识别等也 有较多的应用研究成果【3 0 】。在医学研究领域的应用研究成果也较多。支持向 量机被用于从基因数据中对基因进行分类、人类基因表示数据的分析、基因 功能的确定、别j 癌诊断、胎儿肺部图像检测等。此外，支持向量机在工业工 程领域的应用研究正逐渐受到研究者的重视，如水轮发电机组故障诊断、内 燃机故障诊断、工业过程故障诊断、工业对象系统辨识、最优控制、预测控 制等【3 l 】。在信号处理领域、金融领域等显示出了支持向量机的强大优势f 3 2 1 。 支持向量机在存在全局优化、训练时间短、泛化性能好、算法复杂度低 与特征空间维数无关等优点的同时，存在一些困难和问题，其中核函数及参 数的选取缺乏理论的指导是进一步研究的重点，且针对大规模数据集，训练 集的规模和训练速度是一对矛盾，如何进行快速的训练和测试也是亟待研究 的重要问题。 1 5 本文所做的工作 本文围绕某型自动舵数字控制系统故障诊断的研究和实现来展丌，主要 解决离线状态下某型自动舵数字控制系统的故障诊断。研究了模糊诊断专家 系统在船舶自动舵系统的应用和基于支持向量机的自动舵模拟电路故障诊断 方法。 7 哈尔滨1 ：群人学硕十学位论文 主要内容如下； 1 深入剖析某型船舶自动舵整机及各部件的电路及工作过程，分析某型 船舶自动舵各种信号的测量方法。建立系统数学模型，为故障仿真、参数辨 识做好准备，并为后续的故障检测和诊断方法研究提供参考。 2 在原系统软、硬件的原理和结构基础上，设计微处理电路，搭建硬件 平台，获得自动舵微机通道的总线控制权，进而对自动舵系统微机通道电源 板、主板、副板、接口板的关键信号进行全面采集。 3 了解自动舵的总体技术要求和指标的基础上确立系统总体方案。系统 采用分层递阶结构，底层为基于嵌入式微处理器的信号检测单元，负责获取 微机通道的总线控制权以及信号预处理：中间层为通讯子系统，负责对底层 多个检测单元信息集中传送；顶层为故障诊断和显示子系统，为故障诊断系 统的核心，负责对微机通道的信息进行综合评价，得出最终诊断结论。 4 研究模糊专家系统的原理和方法，及其在故障诊断技术中的应用，确 定自动舵故障珍断专家系统的结构形式。分析自动舵常见故障及其产生机理， 对自动舵故障模糊专家系统的知识表示、模糊推理、匹配度的计算以及可信 度的传播进行详细的研究，为建造实用的故障诊断专家系统奠定坚实的基础。 5 针对模拟电路故障诊断复杂多样难于辨识的问题，有效提高分类的准 确度，研究支持向量机的原理及其在故障诊断技术中的应用，通过电路仿真 分析，得出各故障模式下电压频率响应，提取具有代表性的故障特征，建立 以支持向量机为基础的模拟电路故障诊断模型。 6 硬件设计：被测设备通过底板总线连接，并将数据或信号传送到数据 采集与处理层中。数据采集与处理层由3 个检测板构成。检测板i 负责检测 电源板输出电压和微机主板并口信号。检测板i 工具有三个主要功能：信号发 生器给接口板提供2 路中频信号，及1 路直流信号；a d 检测模块用于测量 接口板模拟量的输出；检测板i i i 还负责将各检测板的测试信息汇总，并将 它们传送至上位机。 7 软件设计：采用v c 抖语言，利用m f c 类库进行w i n d o w s 程序设计。 采用时、频分析相结合信号处理技术对检测信号进行故障特征提取，将模糊 推理引入到专家系统中，实现自动舵系统的智能故障诊断。运用数据库技术 对故障诊断结果进行管理，以方便查询比较。 哈尔滨1 1 。：科人学硕十学位论文 第2 章某型船舶自动舵系统组件分析 2 1 某型穷合穷白自动舵 某型船舶自动舵是一种采用集成运算放大器对信号进行相敏解调、放大， 适用于装有电动舵机或电动液压舵机作为执行机构的p i d 船舶自动舵。它 具有自动操舵、随动操舵和简单操舵三种工作方式，并可配接组合导航和自 适应装置。为确保舰船在航行中安全，系统的控制信号、执行机构均采用双 通道结构。 2 1 1 主要的技术指标 为了满足不同舰船在不同情况下的使用要求，使之能保证舰船安全准确 地航行，对船舶自动舵的各项技术性能提出了一系列的要求，其中最主要的 技术指标有： 1 灵敏度 使用自动操舵时使舵动作的最小偏航角叫船舶自动舵的灵敏度。灵敏度 越高，系统的航向控制精度越高。一般灵敏度可以调节，范围在0 1 1 0 左右。 当舰船在风平浪静的情况下航行时，可将船舶自动舵灵敏度调高一些，以保 持较高的航向精度。当风浪较大，舰船摇摆厉害时，灵敏度过高，会使自动 操舵频繁，这不但使舵机磨损加快，缩短了使用寿命，而且会使舰船摇摆加 剧，航速下降，不利于稳定航行，因此，在这种情况下，就要适当降低船舶 自动舵的灵敏度，改变人为设置的死区的大小或调节死区前的环节的放大倍 数，均可达到调节灵敏度的目的。灵敏度调节又叫“天气调节”。 2 平均偏航角 舰船相对给定航向左右偏航时，偏航角对时间的积分的绝对值与积分时 间之比叫平均偏航角c , o ，即 if 2 o ( t ) d t i 矽：芷l 一 ( 2 1 ) 。 乞一 平均偏航角与航行条件有关。一般均先给出海情及航速，然后再提出平 均偏航角指标。 9 哈尔滨：稃火学硕十学位论文 3 随动操舵精度 使用随动操舵时，给定舵角与实际舵角的差叫随动操舵精度。 4 随动操舵灵敏度 使用随动操舵时，使舵动作的最小舵角指令叫随动操舵灵敏度。 5 转舵速度 随动操舵满舵令时，舵叶在单位时间内转过的角度称为船舶自动舵的转 舵速度。 6 转舵力矩 船舶自动舵执行机构中减速器输出轴的最大转矩叫转舵力矩。 舵是舰船的关键设备，一旦失去控制，舰船将完全失去战斗力，故要求 船舶自动舵有高度的可靠性及生命力。因此舰船船舶自动舵的关键部件均独 立安装两套以上，操舵方式也有多种形式，以便在紧急状态下选择使用。 2 1 2 某型船舶自动舵特点及性能参数 某型船舶自动舵与老型船舶自动舵比较有如下特点： 1 采用运算放大器放大兼校f ，采用集成块相敏解调，采用双通道结构 模式，可靠性高，航行保险系数大。 2 配套灵活方便，输入、输出接口功能强，既适用于电动执行舵机，又 适用于电动液压舵机。 3 实现自动天气调节和手动天气调节两种功能。 该船舶自动舵的主要性能参数为： 1 供电电源：三相电源3 8 0 v5 0 h z ，单相功耗约5 0 0 v a ；直流电源2 4 v ， 直流功耗为5 0 w 。 2 灵敏度：自动操舵方式时0 3 0 航向：随动操舵方式时0 5 。舵角。 3 转舵速度： ( 1 ) 当执行机构为开关特性时2 5 0 s e c ； ( 2 ) 当执行机构为线性特性时2 8 。s e c 。 4 航向稳定精度： ( 1 ) 海情2 - 3 级时不大于o 5 0 ： ( 2 ) 海情6 7 级时不大于2 0 。 1 0 哈尔滨! ：科人! 半：硕十学能论文 5 舵角电气限位：+ 3 5 0 。 2 1 3 某型船舶自动舵的基本组成 某型船舶自动舵由主操纵台、简易操纵台、接线箱、反馈机构、启动器、 转换箱等组成。其中位于主操纵台的船舶自动舵的放大装置由综合放大器和 功率放大器这二级电子放大器组成，它们是某型船舶自动舵的心脏部件，操 舵仪的许多重要功能，例如相敏整流、天气调节、p i d 控制运算、综合放大、 功放、电源都在这里完成。因此对于综合放大器和功率放大器的检测可以直 接获得船舶自动舵各项动态参数。以下将以某型船舶自动舵为例分析p i d 船 舶自动舵控制电路，并定性的给出电气参数对船舶自动舵性能的影响。 某型船舶自动舵的放大装置由二级电子放大器组成：综合放大器和功率 放大器。综合放大器和功率放大器是某型船舶自动舵的心脏部件，操舵仪的 许多重要功能，例如相敏整流、天气调节、p i d 控制运算、综合放大、功放、 电源都在这罩完成，如图2 1 所示。 掣鹾癣圈 ! ! 塑堡生! ! ! 璺卜f 1 壁些竺堡堡! ! ! ! ! ! l = f = 匝帅刘 阽 圆圆匝赇 图2 1 某型船舶自动舵基本结构图 2 2 某型船舶自动舵系统放大装置 综合放大器是船舶自动舵系统的核心部分，综合了某型船舶自动舵所有 的控制功能，包括相敏解调电路、它包含交流信号的解调、p i d 控制运算、 综合放大运算及其它辅助电路，其主要的功能是根据航差角和反馈舵角的差 值信号的电压值，进行比例、微分、积分控制，按p i d 控制规律输出相应的 打舵信号。其基本组成见图2 2 所示。其电气参数对整舵运行性能有着决定 性的影响，因此对综合放大器的检测能够反映船舶自动舵整体的性能和工作 哈尔滨一t ：耩! 大学硕十学位论文 状态的好坏。以下将根据各电路的分块介绍综合放大器的电路分析情况。 2 2 1 相敏放大电路 厶， d m l 1 m 口 综 合 放 大 图2 2 综合放大器基本组成 舵机控制信号 线性输出 翁| l | 发器隧蓼 嘲带攒蚕 霪ll 璧- - b 翟 发器隧 在某型船舶自动舵中，相敏放大器采用l z x l c 集成相敏放大器，该相 敏放大器的管脚图和原理接线如图2 3 所示。该电路具有重量轻、体积小、 可靠性高、调整方便和零位误差小等优点。 图2 3l z x l c 集成相敏放大器 l z x l c 主要性能如下： 最大输入电压7 v ；静态功耗3 0 0 r o w ： 零位电压 2 5 m v ；非线性s 1 ；非对称性1 。 相敏放大器的功能是将交流信号变成直流信号，其极性由输入交流信号 相位决定。在图2 3 中，输入信号从l 和5 脚输入，9 和1 0 脚输出。输出信 监匿匿 刊 刊 制 ， 一 一 一u 蒜删酗 哈尔滨一i ：程大学硕+ 学位论文 号经蜀。、尺：。、c 3 、c 2 。滤波后变为较平稳直流，极性出参改电压和输入电 压以，决定，因为参考电压相位固定，故输出电压极性由输入电压相位 决定。本电路参考电压从2 脚输入，同相为正，反向为负。c j 为消振电容， 置。为零位调节电位器，u 对输入信号限幅。l z x l c 功耗为3 0 0 m w ，工作时 外壳有些温度是正常现象。舵角反馈相敏放大器r 同上述相敏放大器电路相 同。 相敏电路作用是将交流信号解调为直流电压信号，但在试验中发现在相 同参考电压下正常相敏器件对于直流信号的传输系数是稳定不变的，表2 1 为参考电压为正5 v 时综合放大器指令相敏的试验数据。根据试验数据可以 按照直流特性对相敏器件进行检测，从而能简化检测方法，避免复杂的交流 信号对检测的不利影响。 表2 。1 相敏电路试验数据表 l23456789l o1 11 21 31 4 输入【v )- 9 o o5 9 95 0 03 9 93 0 0 2 。2 0 0 310 0 40 9 9 820 0 03 0 0 04 0 0 5 ，0 0 6 0 09 0 0 输出( v )- 3 ，4 3 12 2 7 81 8 9 91 5 1 21 1 3 60 7 5 2- 0 3 6 80 3 9 8 0 7 8 21 1 6 41 5 4 01 9 2 223 0 23 4 4 5 传输系数ko 3 8 l0 3 8 0 0 3 8 0 0 3 7 9 0 3 7 8 0 3 7 5 0 3 6 70 3 9 90 3 9 l 0 3 8 8 0 3 8 5 0 3 8 40 3 8 40 3 8 3 2 2 2 手动天调和积分限位电路 1 手动天调 手动天调原理如图2 4 所示，由一个绝对值比较电路和一组c m o s 模拟 开关构成。u r 为比较电压，调节电位器r 2 可获得不同的数值，汐。，是前一级 相敏解调器的输出电压，为输出电压；其输出送到下一级p i d 运算放大 器，由9 一，组成绝对值比较电路，其传递函数为： = 【一+ v o p ( i u i iurrui u ； ( 2 - 2 ) o 【一( 1i q 时，u 输出为+ 1 2 v ，送入c m o s 开 关控制端( 6 脚) ，8 、9 导通，信号通过。当l u l u ，时，乩输出为1 2 v ，8 、 9 关断，信号通不过。由此可见只要适当调节u ，便可使信号在一定幅值内通 不过c m o s 开关，相当于死区，u ，愈大，死区愈大，调节r ，便可达到手动 天气调节的目的。k 为温度补偿二极管，圪为隔离二极管。 2 积分限位电路 积分限位原理同手动天调原理相同，其原理图如2 5 所示。其由一个绝 对值比较电路和一组c m o s 开关组成，绝对值比较电路由0 一，担任，开关由 3 ( c d 4 0 6 6 ) - - 组开关担任。该环节为固定值，由5 v 电压经r ：。、e ，分 压后获得，当输入信号绝对值大于该信号，n 9 2 输出为+ 1 2 v ，经r ，、垦。分 压为+ 6 v ，送运放3 ( 1 2 ) ，故3 ( 1 o 、l1 ) 导通，积分电压c 8 被短路，即关“积 分”。正常工作情况下9 ：，输出为1 2 v ，m ( 1 0 、1 1 ) 开路，对积分无影响。 1 4 哈尔滨1 ：稗人学硕十学位论文 2 2 3pid 运算电路 图2 5 积分限位电路 某型船舶自动舵的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 运算功能均由运算放大器 担任，其它电路原理如图2 6 所示。图中l0 - l ( f x 7 4 7 c ) 担任比例运算， 1 。一2 ( f x 7 4 7 c ) j e 任微分运算，i 。( f 3 1 4 0 y ) 担任积分运算。在图中，尺，为 比例电阻，c 6 为微分电容，g 为积分电容，蜀。为高频信号抑制电阻，c 7 为 滤波电容。r p 和r ，均有五档用以调节微分强弱和比例大小。 图2 6 比例一积分一微分运算电路 哈尔滨i ：秤人学硕十学位论文 根据图2 6 ，可写出关系式如下： u t 一鼍u 沪n = 一心。c _ d u 矿s t ，百万r 4 瓦6 = 一如警( 心s 忽略) u 3 = 一丽1 i u 。r d f _ 一k p 。r d t ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 式中， k 。：鱼 r p ：了导r 。c 6 “ r d + 心6 ”。 k ，：j 一 。 恐：g 分别为积分电路的的比例、微分、积分参数。