關(guān)于齒盤(pán)測(cè)速原理的探討

【摘要】齒盤(pán)測(cè)速是重要的一種水電機(jī)組測(cè)速方法，本文以圖文結(jié)合的方式從齒盤(pán)測(cè)速的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)明其工作的原理。介紹了測(cè)速流程以及各個(gè)部分的運(yùn)行方式，并引入了一些理論公式和方式。

【關(guān)鍵詞】齒盤(pán)測(cè)速；水電機(jī)組；傳感器；原理

齒盤(pán)測(cè)速其原理是在水電機(jī)組的轉(zhuǎn)軸端部上安裝環(huán)形齒狀設(shè)備（齒盤(pán)），它是由傳感器和信息處理器組成的。首先，當(dāng)機(jī)組旋轉(zhuǎn)時(shí)，由接近式或光電式傳感器感應(yīng)產(chǎn)生反映機(jī)組轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)，然后由單片機(jī)構(gòu)成的智能儀表測(cè)量脈沖寬度并計(jì)算獲取機(jī)組轉(zhuǎn)速。齒盤(pán)測(cè)速是一種水電機(jī)組轉(zhuǎn)速的直接測(cè)量方式，其可靠性和可信度明顯優(yōu)于殘壓測(cè)速，所以在水電機(jī)組的運(yùn)行中多采用齒盤(pán)測(cè)速。

1.齒盤(pán)測(cè)速的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1傳感器

傳感器是齒輪測(cè)速系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，當(dāng)機(jī)組旋轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)責(zé)感應(yīng)脈沖信號(hào)，然后傳遞給單片機(jī)，由智能儀器即轉(zhuǎn)速信息處理器來(lái)測(cè)量脈沖寬度從而轉(zhuǎn)化成輸出數(shù)據(jù)。所以傳感器的感應(yīng)精準(zhǔn)度直接會(huì)影響到最后的測(cè)速結(jié)果。

比較常用的傳感器有接近式和光電式，它的原理就是在發(fā)電機(jī)大軸上固定一個(gè)加工的齒盤(pán)，通過(guò)齒盤(pán)與發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)動(dòng)讓光電信號(hào)通過(guò)與遮擋來(lái)獲得電脈沖信號(hào)。

其安裝如下圖所示：

1.2單片機(jī)

單片機(jī)是接受脈沖信號(hào)也就是方形波并進(jìn)行計(jì)算分析最后得出速度數(shù)據(jù)的重要程序。它相當(dāng)于一個(gè)微型的電腦，它內(nèi)部也用和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤(pán)作用相同的存儲(chǔ)器件，不同的是它的這些部件性能都相對(duì)我們的家用電腦弱很多，單片機(jī)是靠程序工作的，并且可以修改。通過(guò)不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，通過(guò)你編寫(xiě)的程序可以實(shí)現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！

單片機(jī)由三個(gè)部分組成。（1）運(yùn)算器：執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算和各種邏輯運(yùn)算，并進(jìn)行邏輯測(cè)試，如零值測(cè)試或兩個(gè)值的比較。（2）控制器：由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序發(fā)生器和操作控制器等組成，是發(fā)布命令指揮整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的操作。（3）主要寄存的“決策機(jī)構(gòu)”，即協(xié)調(diào)和器：包括累加器A、數(shù)據(jù)寄存器DR、指令寄存器IR和指令譯碼器ID、程序計(jì)數(shù)器PC、地址寄存器AR，這五個(gè)部分所存儲(chǔ)的對(duì)象各有不同，劃分明確。這三大塊構(gòu)成了單片機(jī)，承載著對(duì)脈沖信號(hào)的接受以及處理得到數(shù)據(jù)的重要任務(wù)，十分關(guān)鍵。

2.提高齒盤(pán)測(cè)速精度的原理

齒盤(pán)測(cè)速的原理不算復(fù)雜，但在控制精度上還存在著諸多問(wèn)題，在齒盤(pán)測(cè)速中，齒盤(pán)的加工精度很難保證水電機(jī)組轉(zhuǎn)速測(cè)量的精度要求，為了解決這一問(wèn)題，隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，研究人員提出了基于卡爾曼濾波的單傳感器齒盤(pán)測(cè)速方法，在保證水電機(jī)組測(cè)速實(shí)時(shí)性要求的前提下，消除加工精度對(duì)測(cè)量精度的影響，并有效地提高了測(cè)速機(jī)構(gòu)的可靠性。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，卡爾曼濾波器是一個(gè)最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法。對(duì)于解決很大部分的問(wèn)題，他是最優(yōu)，效率最高甚至是最有用的。他應(yīng)用廣泛包括機(jī)器人導(dǎo)航，控制，傳感器數(shù)據(jù)融合甚至在軍事方面的雷達(dá)系統(tǒng)以及導(dǎo)彈追蹤等等?？柭鼮V波的實(shí)質(zhì)是由量測(cè)值重構(gòu)系統(tǒng)的狀態(tài)向量。它以“預(yù)測(cè)—實(shí)測(cè)—修正”的順序遞推，根據(jù)系統(tǒng)的量測(cè)值來(lái)消除隨機(jī)干擾，再現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)，或根據(jù)系統(tǒng)的量測(cè)值從被污染的系統(tǒng)中恢復(fù)系統(tǒng)的本來(lái)面目。將其引入齒盤(pán)測(cè)速，大大的提升了數(shù)據(jù)的精確度。

3.卡爾曼濾波器算法

卡爾曼濾波器與齒盤(pán)測(cè)速有著密切的聯(lián)系，以卡爾曼濾波器為源的卡爾曼濾波器算法應(yīng)用在齒盤(pán)測(cè)速里，很大的提高了數(shù)據(jù)的精度。對(duì)于卡爾曼濾波器，最核心的內(nèi)容是五大公式，比較繁多，在此不做過(guò)多的贅述。在此，借助一個(gè)具體的情景來(lái)為大家介紹一下卡爾曼濾波器工作的原理，也就是它如何讓齒盤(pán)測(cè)速的數(shù)據(jù)更為精確的計(jì)算方式。

首先，我們可以進(jìn)行假設(shè)，比如，我們現(xiàn)在的研究對(duì)象是測(cè)量一個(gè)房間的溫度。根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)，可先設(shè)定一個(gè)下一分鐘的溫度值，再用溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，同樣的也存在差值，這中間與實(shí)際存在的差值我們稱之為高斯白噪聲。這時(shí)，在擁有溫度計(jì)與估測(cè)值兩個(gè)數(shù)據(jù)的情況下對(duì)某時(shí)刻的實(shí)際溫度進(jìn)行計(jì)算，假定這個(gè)時(shí)刻是a，那么要先根據(jù)a-1的時(shí)刻，因?yàn)槟阌X(jué)得溫度是恒定的，所以這一刻和上一刻的估算值是一樣的，假設(shè)都是23℃，這時(shí)高斯噪聲偏差值可以這樣計(jì)算：在a-1時(shí)刻的估算最優(yōu)溫度值偏差是3，自行估算的值偏差為4度，兩項(xiàng)平方再開(kāi)方，就可以得到此時(shí)的高斯噪聲偏差值為5，則此時(shí)a時(shí)刻有兩個(gè)溫度值：23℃和25℃，這是該相信那個(gè)數(shù)值，就可以借助用它們的協(xié)方差來(lái)判斷。因?yàn)閍g^2=5^2/（5^2+4^計(jì)算2），所以ag=0.78，我們可以估算出a時(shí)刻的實(shí)際溫度值是：23+0.78*（25-23）=24.56度。通過(guò)計(jì)算，溫度計(jì)的協(xié)方差比較小所以估算出的最優(yōu)溫度值是偏向溫度計(jì)的值。在已經(jīng)得到a時(shí)刻的最優(yōu)溫度值后，還需繼續(xù)計(jì)算a+1時(shí)刻的溫度值，進(jìn)行新的最優(yōu)估算。在進(jìn)入k+1時(shí)刻之前，我們還要算出a時(shí)刻那個(gè)最優(yōu)值（24.56度）的偏差。算法如下：（（1-ag）*5^2）^0.5=2.35。這里的5就是上面的a時(shí)刻你預(yù)測(cè)的那個(gè)23度溫度值的偏差，得出的2.35就是進(jìn)入a+1時(shí)刻以后a時(shí)刻估算出的最優(yōu)溫度值的偏差（對(duì)應(yīng)于上面的3），就是這樣，卡爾曼濾波器就不斷的把協(xié)方差遞歸，從而估算出最優(yōu)的溫度值。借助計(jì)算機(jī)，這些程序步驟運(yùn)行的非常快?？梢匝杆俚牡玫揭粋€(gè)比較精確的數(shù)值。

4.齒盤(pán)測(cè)速存在的缺點(diǎn)

齒盤(pán)測(cè)速有諸多的優(yōu)點(diǎn)，它的較高精度的計(jì)算對(duì)于水電機(jī)組的后續(xù)工作具有重大意義。但與此同時(shí)，不可避免的也會(huì)存在一些問(wèn)題，首先，齒盤(pán)測(cè)速增加了設(shè)備的成本和軟件運(yùn)行的復(fù)雜性。其次，由于齒和齒之間的距離不可能完全的相等，大小也不可能絲毫不差，所以這種不完全均勻性就給高度靈敏的速度傳感器造成了數(shù)據(jù)上的偏差，傳遞了不準(zhǔn)確和有干擾的信號(hào)。還有一點(diǎn)問(wèn)題與它的位置有關(guān)，由于比較靠近開(kāi)關(guān)的位子，所以比較容易被碰擊到而遭受損害。這些方面的改善與齒盤(pán)測(cè)速的原理也是分不開(kāi)的，希望相關(guān)研究人員根據(jù)齒盤(pán)測(cè)速的原理可以進(jìn)行更好的改進(jìn)。

5.結(jié)論

由于單傳感器齒盤(pán)測(cè)速的卡爾曼濾波算法簡(jiǎn)便，適合于編程，故具有較強(qiáng)的抗干擾能力，應(yīng)用該原理制造的水電機(jī)組測(cè)速裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試方便，可靠性及可信度高。在實(shí)踐中應(yīng)用單傳感器齒盤(pán)測(cè)速的卡爾曼濾波算法并安裝雙傳感器，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的雙備份齒盤(pán)測(cè)速。

參考文獻(xiàn)

[1]許軍.以單片機(jī)為核心的測(cè)頻系統(tǒng)測(cè)量誤差[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，1998（5）：35-39.

[2]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1984.

[3]常黎，周建中.一種基于卡爾曼濾波的齒盤(pán)測(cè)速方法[J].水電能源科學(xué)，2001（6）：57-58.