360°位移检测技术在船艇航向控制中的应用

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２６卷第３期　２００７年６月　工兵装备研究　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｖ０１．２６　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．２００７　３６０。位移检测技术在船艇航向控制中的应用　沈冬祥，　王彪　，　蒋耀军　（总装工程兵科研一所，江苏无锡２１４０３５）　摘　要：针对水上动力设备航向伺服控制的使用需求，本文介绍一种利用常规电位器．通过结构设计和信号　处理技术相结合，进行３６０。连续旋转无死区的角位移检测的技术。该技术具有性价比高、可靠性好、使用寿　命长的特点，可完全替代双电刷３６０。角位移传感器．满足舟桥设备的控制需要。　关键词：伺服控制；全向回转；角位移检测；信号处理　中图分类号：ＴＰ２７４；ＴＨ１３７　文献标识码：Ａ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　３６０。Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｃｏｕｒｓｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ＳＨＥＮ　Ｄｏｎｇ—ｘｉａｎｇ，　ＷＡＮＧ　Ｂｉａｏ，　Ｊ　ＩＡＮＧ　Ｙａｏ－ｊ　ｕｎ　（Ｔｈｅ　Ｆｉｒｓｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ａｒｍａｍｅｎｔｓ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ。Ｗｕｘｉ　２１４０３５。Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｎｅｅｄｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｕｒｓｅ　ｓｅｒｖｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｄｒｉｖｅ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ａｎ　ａｎｇｌｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒ，ａｎｄ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃａｎ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ａｎｇｌｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｉｎ　３６０。ｗｉｔｈ　ｎｏ　ｄｅａｄ　ｚｏｎｅ．Ｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃａｎ　ｒｅｐｌａｃｅ　ｔｈｅ　ｄｕａｌ—ｂｒｕｓｈ　３６０。ａｎｇｌｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｓｅｎｓｏｒ　ｂｅ—　ｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｓ　ｈｉｇｈ　ｃｏｓｔ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ　ｌｏｎｇ　ｌｉｆｅ，ａｎｄ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎ—　ｔｒｏｌ　ｎｅｅｄｓ　ｏｆ　ｐｏｎｔｏｏｎ　ｂｒｉｄｇｅ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．　豫　站一Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｅｒｖｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｔｕｒｎｉｎｇ；ａｎｇｌｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　新型汽艇的航向操控系统是一个泵控马达闭　Ｕ　～环位置电液伺服控制系统，主要包括电控系统和液　压系统，具体由手动驾驶仪、航向指示仪、控制器、　反馈装置、液压泵、液压泵站、液压马达等组成。　电液伺服控制系统基本原理（图１）：驾驶仪产　生预置信号Ｖ１（该信号随驾驶仪位置的变化而变　图１　电液伺服控制基本原理图　化），与推进器喷口连动的反馈装置也会产生一个　Ｆｉｇ．１　Ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｄｉａｇｒａｍ　随喷水方向而变化的反馈信号Ｖ２，信号Ｖ１、Ｖ２均　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｅｒｖｏ　ｃｏｎｔｏｌ　被送入识别判断单元进行逻辑比较，比较得出的信　号经调整放大后控制电液变量机构控制变量泵，由　从图１看出，３６０。角位移指令、反馈传感器是伺　服控制系统中重要的环节。国外普遍采用的是双　变量泵供油给液压马达，该液压马达通过机械传动　带动推进器的喷口方向改变，从而使推进器按所需　电刷３６０。角位移传感器，该类型角位移传感器只有　极少数国家能够生产，在我国还是一个空白。现国　的航向（即驾驶仪给定的航向）改变喷射水流的方　内专业生产角位移传感器厂家，可以批量生产单电　向，直至Ｖ２一Ｖ１，从而使喷口转角达到给出的航向　刷、机械转角Ｏ。～３４５。的角位移传感器，线性度Ｘ　偏角，实现了控制航向的目的－ｊ～引。　收稿日期：２００７—０１—１９　作者简介：沈冬祥（１９７３一），男，江苏建湖人，Ｔ程师，主要从事Ｔ程装备控制技术研究。　　…　　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　沈冬祥，等：３６０。位移检测技术在船艇航向控制中的应用　可达到０．１　９／６，质量比较稳定。由于双电刷３６０。角　位移传感器工艺加工难度大，国内专业生产厂家在　试制过程中难以把握其关键技术参数，研制的传感　器性能也很难达到要求Ｌ３］。如果完全依靠从国外　进口，一方面价格比较昂贵，另一方面作为关键技　术和元件自己不能掌握，易受制于人，直接影响我　军武器装备的发展。因此，立足国内生产工艺技　术，研究相应的传感检测技术，显得尤为迫切和重　要。根据３６０。角位移传感器的工作原理，本文提出　了一种采用双位移传感器级连方法，结合后端信号　处理技术来进行３６０。连续旋转无死区角位移检测。　１　结构设计　电薄膜精密电位器ＷＤＤ３５Ｄ４的机械转角为　３６０。（连续），但有效电气角度为３４５。±２。，阻值为　５ＫＱ，线性度为０．１　９／６，电气死区为１５。左右。采用　两个ＷＤＤ３５Ｄ４单联导电薄膜精密电位器组成双　级联结构电位器（图２），将两电位器同轴安装，并将　上下联电位器电气信号错开一定角度（推荐定为　９０。）。此方法可有效避开电位器的死区，若一电位　器进入电气角度死区时，另一电位器必在有效电气　角度范围内。再通过控制器，在软件上进行处理，　实现３６０。连续旋转无死区角位移传感器技术。　ａ甲暇电俺器　ｂ　数驳Ｅ电位嚣　图２电位器外形图　Ｆｉｇ．２　Ｆｉｇｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒ　０２Ｗ２　Ｖｎ　图３双级联电位器信号采集电路图　Ｆｉｇ．３　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｉａｇｒａｍ　ｆｏｒ　ｓｉｇｎａｌ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｉｐｏｌａｒ　ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒ　２　采集电路　在双级联结构电位器的电气两端１、２分别加　上标准信号的电压＋５Ｖ，将信号输出端３、４引出并　接人信号采集电路中（图３）。由于ＷＤＤ３５Ｄ４电位　器存在１５。左右的电气死区，因此对该段采集时易　受干扰，发生误信号。从硬件上采取抗干扰措施，　即在信号采集端加上上拉电阻和去耦电容［１『　］。　３　软件处理　３．１信号滤波　对采集到控制器的模拟量信号进行二级滤波，　一级采用惯性滤波，二级采用算术平均值滤波。　（１）惯性滤波　惯性滤波公式：　Ｙ　（￡）一）（１一ａ）Ｙ　（ｔ一１）＋　（￡）　Ｙ　（￡）：本次计算值；　Ｙ　（ｔ一１）：前次计算值；　Ｙ（￡）：本次采样值；　ａ：滤波系数。　（２）多次采样平均　多次采样平均处理是对最近Ｎ次采样值进行　算术平均计算，使得采样信号更为逼真。　Ｙ　（￡）一Ｚ（￡）／Ｎ　Ｎ：采样次数；　Ｚ（ｔ）：最近Ｎ次采样的数据和。　３．２数值处理　两个电位器Ａ和Ｂ在结构安装上差９０。，电气　性能如图４所示：　图４双级连电位器电气性能特性示意图　Ｆｉｇ．４　Ｄｉａｇｒａｍ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｂｉｐｏｌａｒ　ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒ　控制软件的程序框图如图５所示：　程序说明：　维普资讯 http://www.cqvip.com ３６　工兵装备研究　第２６卷　图５控制软件的程序框图　Ｆｉｇ．５　Ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　（１）将控制器采集到的双级联电位器两个电压　信号测量值ＶＡ和ＶＢ的差值求出：△Ｖ—ＶＡ—Ｖ　；　（２）电位器Ａ在死区时，将电位器Ｂ的电压值　测出：ＶＢ】～Ｖ艘；　（３）电位器Ｂ在死区时，将电位器Ａ的电压值　测出：Ｖ＾】～Ｖ＾２；　（４）如果电位器Ｂ在死区，则电位器Ａ一定不　在死区，此时读出电位器Ａ的值作为输出值；　（５）如果电位器Ｂ不在死区，再判断电位器Ａ　在不在死区，如果不在，读出电位器Ａ的值作为输　出值；如果在，读出电位器Ｂ的值加上Ｖ　和Ｖｎ的差　值△ｖ作为输出值；　（６）由于两个电位器Ａ和Ｂ在结构安装上差　９Ｏ。，存在安装上的误差，每组电位器安装误差也不　一样，可以在软件上将安装误差消除；　（７）电源输入端误差也可以通过软件处理【６～引。　４与双电刷３６０。角位移传感器对比　图６为双电刷３６０。角位移传感器处理前后的　电压波形图，其逻辑关系复杂，波形跳跃拐点多，需　多次比较，参与控制较为麻烦；图７双级联电位器　处理前后的电压波形图，其波形简单，便于实现控　制。　３６０。连续旋转无死区角位移传感器与双电刷　３６０。角位移传感器相比其优点：生产工艺简单；测　量精度高；可靠性高；要求采集电路简单；价格便　宜，有稳定供货渠道。　　ｌ个Ｉ　械斗掰输出ｌ　艘孵　图６　双电刷３６０。角位移传感器电压波形图　Ｆｉｇ．６　Ｏｓｃｉｌｌｏｇｒａｍ　ｆｏｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｆ　ｄｕａｌ－ｂｒｕｓｈ　３６０。ａｎｇｌｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｓｅｎｓｏｒ　１　２　、　秘糊　０　ｌ∞。？　¨　ａ魏　单敢吃能嚣　稚ｔ　：ｌ毡　然　ｉ－　躇驳　毡　嚣蠕逻袱址　输　．１毛矩浊彤渊　图７双级联电位器电压波形图　Ｆｉｇ．７　Ｏｓｃｉｌｌｏｇｒａｍ　ｆｏｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｆ　ｂｉｐｏｌａｒ　ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒ　５　结语　本文提出的３６０。连续旋转无死区角位移检测　方法完全可以替代双电刷３６０。角位移传感器，较好　地满足水力动力设备航向伺服控制的要求，为特种　推进器在我军装备上和民用船舶上的应用创造了　条件，解决了后者需从国外进口的问题。该传感检　测技术目前已运用到多个军用、民用项目上，取得　了良好的军事和经济效益。　参考文献：　［１］徐薇莉．自动控制理论与设计［Ｍ］．上海：上海交通大　学出版社，２００１．　［２］金鸿章，李国斌．船舶特种装置控制系统［Ｍ］．北京：　国防工业出版社，１９９５．　［３］蒋耀军，郑宝礼．双电刷３６０。角位移传感器的研制　［Ｊ］．工兵装备研究，１９９５，（２）：３１－３４．　［４］　陈杰，黄鸿．传感器与检测技术［Ｍ］．北京：高等教育　出版社，２００２．　［５］徐科军．信号处理技术［Ｍ］．武汉：武汉理工大学出版　社，２００１．　［６］沈德金．Ｍｏｔｏｒｏｌａ集成电路应用技术丛书一数字信号　处理原理及应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００２．　［７］黄采伦．１　Ｃ总线数字电位器原理及单片机的接Ｉ：１设　计Ｃ５１ＢＢＳ嵌入式开坛［Ｍ］．北京：电子工业出　版社，２００３．　［８］陈西文．Ｉ／０接ＩＳｌ程序设计［Ｍ］．北京：机械工业出版　社，１９９６．