CN105929198B - 基于惯性原理的高稳定度实时预测转速测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于惯性原理的高稳定度实时预测转速测量方法，其特征包括如下步骤：1、平稳运行参数序列的实时更新；2、基于惯性原理的平稳预测得出预测转速值；3、基于测周法的实时跟进获得实时转速值；4、基于容差的双转速综合处理。本发明的优点：实现简单，设计新颖，能够消除由计数误差和脉冲发生器的加工误差引起的测量波动，同时其动态跟踪效果好，解决了一般转速测量方法稳定度和实时性不能兼顾的问题。
Description
技术领域
本发明涉及基于惯性原理的高稳定度实时预测转速测量方法，属于传感器信号处理技术领域。
背景技术
转速测量是对航空发动机、内燃机、电机等旋转型动力机械进行测试、控制的最基本、最重要的任务，一般希望获得准确、及时的转速信息。实际进行转速测量时，因为噪音干扰、测量系统本身的误差或测量方法的不当等因素，都会导致转速测量结果波动大，或测量结果滞后，进而导致转速测量不准。
对于动力机械实时转速控制系统，要求快速获得当前的转速信息，往往采取测周法或组合测周法获得转速脉冲信号的频率，进而得到当前转速。而由于测周法的计数误差以及脉冲发生器（如音轮）的加工误差，即使转子平稳运行，其测量值也会产生一定的波动。
公开号为CN105203794A的中国专利公开了发电机转速测量系统及方法，该专利自述能够消除由音轮的加工精度引起的测量误差，测量精度高，但其测量系统需要2个测速探头，系统结构复杂，安装难度大，且2个测速探头的间距需要严格控制才能保证测量结果准确。公开号为CN105203793A的中国专利公开了一种精确测量齿轮转速的方法，该专利一方面测量单位时间内通过的齿数，再加上单位时间后下一个齿的到来所需要的时间，两者组合得出当前转速值，该专利自述测量误差小，精度高，使用范围广，解决了传统测频法的缺陷，但其测量方法未考虑齿轮的加工因素导致的测量误差。
发明内容
本发明提出了一种基于惯性原理的高稳定度实时预测转速测量方法，旨在消除由计数误差和脉冲发生器的加工误差引起的测量波动，同时保证良好的动态跟踪效果。
本发明的技术解决方案：本发明是基于惯性原理的高稳定度实时预测转速测量方法，其特征包括如下步骤：
（1）平稳运行参数序列的实时更新；
（2）基于惯性原理的平稳预测得出预测转速值；
（3）基于测周法的实时跟进获得实时转速值；
（4）基于容差的双转速综合处理。
本发明的优点：实现简单，设计新颖，能够消除由计数误差和脉冲发生器的加工误差引起的测量波动，同时其动态跟踪效果好，解决了一般转速测量方法稳定度和实时性不能兼顾的问题。
附图说明
附图1是平稳运行参数序列的数据采集更新流程图。
附图2是平稳运行参数序列的更新方式示意图。
附图3是实时跟进方法流程图。
附图4是实际使用效果图。
附图5是基于惯性原理的高稳定度实时预测转速测量方法流程图。
具体实施方式
如附图所示，基于惯性原理的高稳定度实时预测转速测量方法，包括如下步骤：
（1）平稳运行参数序列的实时更新：
1）平稳运行参数序列的实时更新采用嵌入式系统的中断功能，当芯片采集到脉冲发生器发出的脉冲信号的上升沿，程序立即进入中断服务程序，记录当前定时计数器值，并与上一脉冲的定时计数器值求差，将此差值更新进入平稳运行参数序列；
2）在时刻采集到一个新的脉冲信息，则将被加入到平稳运行参数序列的入口端，时刻的数据整体往出口端平移，从出口端去除；
（2）基于惯性原理的平稳预测得出预测转速值：根据最新一段时间内的平稳运行参数序列来计算得出预测转速值，具体计算方式如下：
1）求取当前平稳运行参数序列的平均值：将当前平稳运行参数序列的所有参数累加求和，再除以平稳运行参数序列的长度，得到当前平稳运行参数序列的平均值；
2）用定时计数器的时钟频率除以上述平均值得到脉冲信号的频率值；
3）将此频率值按频率转速比转换为转速值，以此得出当前预测转速值；
（3）基于测周法的实时跟进获得实时转速：
1）基于测周法的实时跟进选取平稳运行参数序列的最新的个数据求取当前实时转速值，的取值范围为1～6；
2）比较当前实时转速值与上一时刻的转速测量值的偏差，如果偏差大于惯性极限波动量，则当前实时转速值为野值，予以剔除，选取上一时刻的转速测量值作为当前实时转速值；
（4）基于容差的双转速综合处理：
比较测量波动量容差和预测转速与当前实时转速值的偏差，如果预测转速与实时转速的偏差大于测量波动量容差，则当前转速为实时转速，如果预测转速与实时转速的偏差小于或等于测量波动量容差则当前转速为预测转速。
所述的脉冲发生器为数控线切割加工的音轮，其齿轮分布误差在1%以内，脉冲发生器的加工误差和计数误差引起的测量波动量容差设定为不大于当前转速的1%。
所述的平稳运行参数序列的序列长度取音轮的齿数，对于齿数4个以下的可取齿数的N倍，N取值范围为2～4。
所述的惯性极限波动是根据转子的惯性并结合正常加减速能力推算出的采样瞬间可能的转速最大波动量。
所述的惯性原理是指由于转子的惯性，在平稳运转期间其转速不会发生瞬间的快速波动，因此可以根据最新一段时间内的平稳运行参数序列预测当前的转速，这个转速值非常平稳，不会出现瞬间的快速波动。
实施例
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，基于惯性原理的高稳定度实时预测转速测量过程如下：
1）平稳运行参数序列的实时更新采用TM4C123GHP6M嵌入式处理器芯片32/64位定时计数器的输入边沿计数捕获中断功能，当芯片采集到脉冲发生器发出的脉冲信号的上升沿，程序立即进入中断服务程序，记录当前定时计数器值，并与上一脉冲的定时计数器值求差，将此差值更新进入平稳运行参数序列；试验系统采用带音轮的脉冲发生器，齿数为60，平稳运行参数序列长度选为60；
2）在时刻采集到一个新的脉冲信息，则将被加入到平稳运行参数序列的入口端，时刻的数据整体往出口端平移，从出口端去除；
3）求取当前平稳运行参数序列的平均值：将当前平稳运行参数序列中60个参数累加求和，在除以平稳运行参数序列的长度60，得到当前平稳运行参数序列的平均值；
4）用定时计数器的时钟频率除以上述平均值得到脉冲信号的频率值，其中定时计数器的时钟频率为80MHz；
5）将此频率值按频率转速比转换为转速值，以此得出当前预测转速值；
6）基于测周法的实时跟进选取平稳运行参数序列的最新的4个数据求取当前实时转速值，比较当前实时转速值与上一时刻的转速测量值的偏差，如果偏差大于惯性极限波动量，则当前实时转速值为野值，予以剔除，选取上一时刻的转速测量值作为当前实时转速值，其中惯性极限波动量设为500转每分钟；
7）比较测量波动量容差和预测转速与当前实时转速值的偏差，测量波动量容差设为0.5%，如果预测转速与实时转速的偏差大于测量波动量容差，则当前转速为实时转速，如果预测转速与实时转速的偏差小于或等于测量波动量容差则当前转速为预测转速。
实际测量效果如图4所示：图中实时转速曲线为采用基于测周法的实时跟进得到的转速值，预测转速曲线为采用基于惯性原理的平稳预测得到的预测转速，综合处理转速曲线是经过基于容差的双转速综合处理之后的转速值，也是本发明方法最终的输出转速值。对图中20.6到21.0秒转速加速升高阶段和22.0到22.5秒转速平稳阶段的曲线进行放大，可以明显的看到：转速加速升高阶段实时转速曲线的响应速度明显要快于预测转速曲线，此时预测转速与实时转速的偏差超过测量波动量容差，当前的转速测量值取实时转速，因此综合处理转速曲线与实时转速曲线重合，动态跟进效果好，实时性高；转速平稳阶段采用传统测周法获得的实时转速曲线一直在波动，而预测转速曲线十分稳定，此时预测转速与实时转速的偏差小于测量波动量容差，当前的转速测量值取预测转速，因此综合处理转速曲线与预测转速曲线重合，消除了由计数误差和脉冲发生器的加工误差引起的测量波动，达到了本发明的设计目标。
Claims (6)
1.基于惯性原理的高稳定度实时预测转速测量方法，其特征包括如下步骤：
（1）平稳运行参数序列的实时更新；
（2）基于惯性原理的平稳预测得出预测转速值；
（3）基于测周法的实时跟进获得实时转速值；
（4）基于容差的双转速综合处理；
所述步骤（2）基于惯性原理的平稳预测得出预测转速值：
1）求取当前平稳运行参数序列的平均值：将当前平稳运行参数序列的所有参数累加求和，再除以平稳运行参数序列的长度，得到当前平稳运行参数序列的平均值；
2）用定时计数器的时钟频率除以上述平均值得到脉冲信号的频率值；
3）将此频率值按频率转速比转换为转速值，以此得出当前预测转速值。
2.根据权利要求1所述的基于惯性原理的高稳定度实时预测转速测量方法，其特征在于所述步骤（1）平稳运行参数序列的实时更新：
1）平稳运行参数序列的实时更新采用嵌入式系统的中断功能，当芯片采集到脉冲发生器发出的脉冲信号的上升沿，程序立即进入中断服务程序，记录当前定时计数器值，并与上一脉冲的定时计数器值求差，将此差值更新进入平稳运行参数序列；
2）在t n+1时刻采集到一个新的脉冲信息Data n+1，则Data n+1将被加入到平稳运行参数序列的入口端，t n时刻的数据整体往出口端平移，Data n-m从出口端去除。
3.根据权利要求1所述的基于惯性原理的高稳定度实时预测转速测量方法，其特征在于所述步骤（3）基于测周法的实时跟进获得实时转速：
1）基于测周法的实时跟进选取平稳运行参数序列的最新的k个数据求取当前实时转速值，k的取值范围为1～6；
2）比较当前实时转速值与上一时刻的转速测量值的偏差，如果偏差大于惯性极限波动量，则当前实时转速值为野值，予以剔除，选取上一时刻的转速测量值作为当前实时转速值。
4.根据权利要求1所述的基于惯性原理的高稳定度实时预测转速测量方法，其特征在于所述步骤（4）基于容差的双转速综合处理：比较测量波动量容差和预测转速与当前实时转速值的偏差，如果预测转速与实时转速的偏差大于测量波动量容差，则当前转速为实时转速；如果预测转速与实时转速的偏差小于或等于测量波动量容差则当前转速为预测转速。
5.根据权利要求2所述的基于惯性原理的高稳定度实时预测转速测量方法，其特征在于所述的脉冲发生器为数控线切割加工的音轮，其齿轮分布误差在1%以内，脉冲发生器的加工误差和计数误差引起的测量波动量容差设定为不大于当前转速的1%。
6.根据权利要求2所述的基于惯性原理的高稳定度实时预测转速测量方法，其特征在于所述的平稳运行参数序列的序列长度取音轮的齿数，对于齿数4个以下的可取齿数的N倍，N取值范围为2～4。
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