CN106114804B - 船舶主机气囊隔振器控制系统及控制方法 - Google Patents

船舶主机气囊隔振器控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种船舶主机气囊隔振器控制系统，该控制系统包含：通过CAN总线连接气囊隔振器的控制器，通过CAN总线连接控制器的电磁阀组、压力传感器、位移传感器、加速度传感器。本发明优化船舶主机气囊隔振系统的布线及信号通讯，实现系统对多个气囊隔振器之间的高效协调控制，降低系统状态监控、姿态调控以及故障诊断的复杂性，提高船舶主机气囊隔振系统运行的稳定性和可靠性。

Description

船舶主机气囊隔振器控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种气囊隔振系统控制技术，具体涉及一种基于CAN总线的船舶主机气囊隔振器控制系统及控制方法。
背景技术
气囊隔振装置具有固有频率低、承载力大、驻波频率高、无蠕变等特点，能很好地衰减主机振动向船舶主体的传递。但是采用气囊柔性支撑后，船舶主机在外界的扰动下容易与轴系产生不对中，从而导致推进轴系轴承负荷增加、传递效率降低以及联轴器交变应力过大等一系列问题。此外，气囊隔振装置在长期运行的过程中容易产生气囊漏气、气源压力降低、传感器以及控制元器件失效等故障，从而影响系统的对中性能。因此，船舶气囊隔振系统需要具备良好的状态控制、姿态调控以及故障检测等功能，以提高船舶主机气囊隔振系统运行的稳定性和可靠性。
由于船舶主机质量和体积都非常庞大且可提供的隔振器安装空间有限，使得船舶主机气囊隔振装置需要采用大量的小尺寸高内压气囊隔振器，从而导致控制通道增加，系统所包含的位移传感器、压力传感器以及电磁阀数量也成倍增长。传感器以及执行器数目的增加了船舶主机气囊隔振系统状态控制、姿态调控以及故障检测的难度。此外，船舶主机气囊隔振装置姿态调控需要结合多个传感器的信号反馈，协调各个气囊隔振器对应电磁阀的充放气动作，随着气囊隔振器数目的增多，姿态调控的复杂程度也显著增加。
现有的《电控空气悬架高度可调控制装置》（专利号：201420582675.7）主要针对车辆系统用空气悬架，气囊隔振器个数以及配套的电磁阀、传感器数量相对较少。因此，通常是把空气悬架系统整体作为一个节点，接入车辆CAN总线系统。《智能气囊隔振装置》（专利号：200910063656.7）针对船舶系统，提供一种可自动网络控制、姿态控制以及故障诊断的低频隔振装置。系统将电磁阀、压力传感器以及位移传感器等组件通过电缆和集线器连接到隔振装置系统控制器。网络控制建立在系统级控制器之间，而并非针对气囊隔振系统内部的信号通讯。当气囊隔振器数量进一步增多时，会给气囊隔振系统的布线造成困难，同时也会增加系统姿态调控的复杂性，并对系统的故障诊断造成影响。
发明内容
本发明提供一种船舶主机气囊隔振器控制系统及控制方法，实现系统对多个气囊隔振器之间的高效协调控制，降低系统状态控制、姿态调控以及故障诊断的复杂性，提高船舶主机气囊隔振系统运行的稳定性和可靠性。
为实现上述目的，本发明提供一种船舶主机气囊隔振器控制系统，其特点是，该控制系统包含：
控制器，其通过CAN总线连接气囊隔振器；
电磁阀组，其通过CAN总线连接控制器，控制气囊隔振器充放气；
压力传感器，其通过CAN总线连接控制器，检测气囊隔振器的工作压力，根据气囊隔振器的气压安全值范围控制电磁阀组对气囊隔振器充放气；
位移传感器，其通过CAN总线连接控制器，检测气囊隔振器当前姿态，根据目标姿态与当前姿态的差值，通过电磁阀组控制气囊隔振器充放气，调整气囊隔振器至目标姿态；
加速度传感器，通过CAN总线连接控制器，检测加速度获得船舶主机振动情况，根据振动情况控制电磁阀组充放气，调整气囊隔振器工作压力。
每个气囊隔振器配套有充放气的电磁阀组、若干水平方向的位移传感器、若干垂直方向的位移传感器和压力传感器。
每个气囊隔振器及其配套的电磁阀组和压力传感器组成一个CAN节点，并作为一个CAN节点一起连接到CAN总线。
每个位移传感器通过单独的CAN节点接入CAN总线。
一种船舶主机气囊隔振器控制系统的控制方法，其特点是，控制系统包含控制器及通信连接该控制器的电磁阀组、压力传感器、位移传感器和加速度传感器；控制方法包含：
压力传感器、位移传感器和加速度传感器分别采集气囊隔振器工作压力、气囊隔振器当前姿态和船舶主机加速度上传控制器；
控制器通过电磁阀组控制气囊隔振器充放气，控制气囊隔振器的工作压力处于其气压安全值范围；
控制器根据目标姿态与当前姿态的差值，通过电磁阀组控制气囊隔振器充放气，调整气囊隔振器至目标姿态；
控制器根据船舶主机加速度获得船舶主机振动情况，通过电磁阀组控制气囊隔振器充放气，调整气囊隔振器工作压力以稳定船舶主机的振动情况。
上述控制器控制气囊隔振器的工作压力处于其气压安全值范围的方法包含：
控制器接收压力传感器上传的气囊隔振器的工作压力；
控制器判断气囊隔振器的工作压力超过气囊隔振器的气压安全值范围，则控制器控制电磁阀组停止对气囊隔振器充气，并对气囊隔振器进行放气。
上述控制器判断气囊隔振器的工作压力低于气囊隔振器的气压安全值范围，则判定气囊隔振器处于漏气状态，根据压力传感器与气囊隔振器的对应关系查出发生漏气的气囊隔振器。
上述控制器调整气囊隔振器至目标姿态的方法包含：
控制器接收位移传感器上传的垂直方向位移传感器信号以及水平方向位移传感器信号，得到气囊隔振装置的当前姿态；
控制器将气囊隔振装置当前姿态与目标姿态之间的差值转化为垂直方向和水平方向的位移差值，对气囊隔振器的充放气时间和顺序进行规划；
控制器向气囊隔振器对应的电磁阀组发送控制指令，控制电磁阀组通断，完成气囊隔振器的充放气操作，调整气囊隔振器至目标姿态。
上述控制器稳定船舶主机的振动情况的方法包含：
控制器根据加速度传感器的信号监测船舶主机系统当前的振动状况；
控制器判断船舶主机系统振动过大时，通过电磁阀组控制气囊隔振器充放气，调整气囊隔振器的工作压力，以稳定船舶主机的振动情况。
上述气囊隔振器、压力传感器、位移传感器、加速度传感器和电磁阀组设有不同的识别号，控制器对每个压力传感器、位移传感器、加速度传感器的信号进行识别和提取。
本发明船舶主机气囊隔振器控制系统及控制方法和现有技术相比，其优点在于，本发明优化船舶主机气囊隔振系统的布线及信号通讯，实现系统对多个气囊隔振器之间的高效协调控制，降低系统状态监控、姿态调控以及故障诊断的复杂性，提高船舶主机气囊隔振系统运行的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明船舶主机气囊隔振器控制系统的结构示意图；
图2为本发明船舶主机气囊隔振器的安装示意图；
图3为本发明船舶主机气囊隔振器的安装示意图。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
如图1所示，为一种基于CAN总线的船舶主机气囊隔振器控制系统的实施例，该船舶主机气囊隔振器控制系统包含：控制器1、气囊隔振器2、电磁阀组3、压力传感器4、位移传感器5、加速度传感器6、CAN总线7。
控制器1采用ECU，其通过CAN总线7连接气囊隔振器2、电磁阀组3、压力传感器4、位移传感器5、加速度传感器6。
每个气囊隔振器2配套有充放气的电磁阀组3、若干水平方向的位移传感器5、若干垂直方向的位移传感器5和压力传感器4。
电磁阀组3，包含充气电磁阀和放气电磁阀，其通过CAN总线连接控制器，控制气囊隔振器充放气。
压力传感器4用来实时监测气囊隔振器2的工作气压状态。每个气囊隔振器2对应一个电磁阀组3以及一个压力传感器4，用来根据气囊隔振器的气压安全值范围控制电磁阀组对气囊隔振器2的充放气操作。将气囊隔振器5以及对应的电磁阀组3、压力传感器4组成一个CAN节点，并将节点连接到CAN总线7中。CAN总线7将所有CAN节点和ECU控制器1连接在一起。
位移传感器5包含竖直位移传感器以及水平位移传感器。通过单独的CAN节点接入CAN总线7中，通过CAN总线7连接控制器1。位移传感器5实时监测气囊隔装置在垂直方向以及水平方向上的位移以获取气囊隔振装置的当前姿态，根据目标姿态与当前姿态的差值，通过电磁阀组控制气囊隔振器充放气，调整气囊隔振器至目标姿态。
加速度传感器6通过单独的网络节点接入CAN总线7中，通过CAN总线7连接控制器1，加速度传感器6实时检测加速度，获得船舶主机振动情况，根据振动情况控制电磁阀组充放气，调整气囊隔振器工作压力。
每个气囊隔振器2、电磁阀组3、压力传感器4、位移传感器5、加速度传感器6都设有不同的数据识别号（ID），结合数据识别号（ID），实现位移传感器信号、速度传感器信号、压力传感器信号、电磁阀组工作状态的反馈，以及控制信号向电磁阀组3的传输。
如图2和图3所示，为船舶主机气囊隔振器的安装示意图，机组9上设有若干气囊隔振器2，气囊隔振器2上设置加速度传感器6，船舶主机8架设在加速度传感器6上。船舶主机8和机组9之间布置有多个气囊隔振器2和位移传感器5。
本发明还公开了一种适用于上述基于CAN总线的船舶主机气囊隔振器控制系统的控制方法，该控制方法包含：
压力传感器、位移传感器和加速度传感器分别采集气囊隔振器工作压力、气囊隔振器当前姿态和船舶主机加速度上传控制器。
控制器通过电磁阀组控制气囊隔振器充放气，控制气囊隔振器的工作压力处于其气压安全值范围。
控制器根据目标姿态与当前姿态的差值，通过电磁阀组控制气囊隔振器充放气，调整气囊隔振器至目标姿态。
控制器根据船舶主机加速度获得船舶主机振动情况，通过电磁阀组控制气囊隔振器充放气，调整气囊隔振器工作压力以稳定船舶主机的振动情况。
具体控制方法如下：
一、气囊隔振系统状态监测：
压力传感器4、位移传感器5、加速度传感器6以及电磁阀组3将主机8的振动信号、气囊隔振器2的气压（工作压力）信号，以及电磁阀组3的工作状态通过CAN总线7统一传递到控制器1中。结合数据识别号（ID），ECU控制器1对信号进行识别和提取。
控制器1根据加速度传感器6的加速度信号监测船舶主机8当前的振动状况。在船舶主机8振动过大时通过CAN总线控制电磁阀组3的通断，控制气囊隔振器充放气，对气囊隔振器2的工作压力进行调整，稳定船舶主机的振动情况。
控制器1根据压力传感器4监测气囊隔振器2的工作压力，并根据气囊隔振器2的气压安全值范围控制电磁阀组3的通断动作。当压力传感器4通过CAN总线7传递来的压力值超过安全压力范围时，ECU控制器1通过CAN总线7禁止充气电磁阀的动作响应，并控制电磁阀组3对气囊隔振器2进行放气操作。
当压力传感器4通过CAN总线7传递来的压力值过低时，控制器1通过综合传感器信号对气囊隔振器2的漏气状态进行检测和诊断。当判断气囊隔振器2有明显漏气时，控制器1立即发出报警信号，并根据压力传感器与气囊隔振器的对应关系，确定发生漏气的气囊隔振器2，以及该漏气隔振气囊2的位置。
二、气囊隔振系统姿态调控：
控制器1根据CAN总线7传输来的多个位移传感器信息包括垂直方向位移信号以及水平方向位移信号，获取气囊隔振器2的当前姿态并与目标姿态进行比较。
控制器1将气囊隔振器2当前姿态与目标姿态之间的差值转化为垂直方向和水平方向的位移差值，并对气囊隔振器2的充放气时间及顺序进行规划。
控制器1根据规划结果通过CAN总线7向气囊隔振器2对应的电磁阀组3发出指令，控制电磁阀组3通断，完成气囊隔振器2的充放气操作，并从CAN总线7上实时获取压力传感器4的信号保证气囊隔振器2运行在安全气压值范围内。
当位移传感器5信号达到目标值时，即气囊隔振器2调整至目标姿态，控制器1通过CAN总线7发送控制信号，关闭所有电磁阀组3。
电磁阀组3通过CAN总线7向控制器1返回关闭工作状态，气囊隔振器2的姿态调控结束。
三、气囊隔振系统故障诊断：
控制器1根据CAN总线7对压力传感器4以及位移传感器5的信号进行检测，利用冗余压力传感器4和冗余位移传感器5，对传感器故障进行识别。
当压力传感器4通过CAN总线7传递来的压力值过低时，控制器1综合传感器信息对气囊隔振器2的漏气状态进行检测和诊断。
当判断气囊隔振器2有明显漏气时，控制器1立即关闭对应的电磁阀组3确定漏气隔振气囊2的识别号以及位置，并发出报警信号。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种船舶主机气囊隔振器控制系统，其特征在于，该控制系统包含：
控制器，其通过CAN总线连接气囊隔振器；
电磁阀组，其通过CAN总线连接控制器，控制气囊隔振器充放气；
压力传感器，其通过CAN总线连接控制器，检测气囊隔振器的工作压力，根据气囊隔振器的气压安全值范围控制电磁阀组对气囊隔振器充放气；
位移传感器，其通过CAN总线连接控制器，检测气囊隔振器当前姿态，根据目标姿态与当前姿态的差值，通过电磁阀组控制气囊隔振器充放气，调整气囊隔振器至目标姿态；
加速度传感器，通过CAN总线连接控制器，检测加速度获得船舶主机振动情况，根据振动情况控制电磁阀组充放气，调整气囊隔振器工作压力。
2.如权利要求1所述的船舶主机气囊隔振器控制系统，其特征在于，每个所述气囊隔振器配套有充放气的电磁阀组、若干水平方向的位移传感器、若干垂直方向的位移传感器和压力传感器。
3.如权利要求2所述的船舶主机气囊隔振器控制系统，其特征在于，每个所述气囊隔振器及其配套的电磁阀组和压力传感器组成一个CAN节点，并作为一个CAN节点一起连接到CAN总线。
4.如权利要求1所述的船舶主机气囊隔振器控制系统，其特征在于，每个所述位移传感器通过单独的CAN节点接入CAN总线。
5.一种如权利要求1至4中任意一项权利要求所述船舶主机气囊隔振器控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包含：
压力传感器、位移传感器和加速度传感器分别采集气囊隔振器工作压力、气囊隔振器当前姿态和船舶主机加速度上传控制器；
控制器通过电磁阀组控制气囊隔振器充放气，控制气囊隔振器的工作压力处于其气压安全值范围；
控制器根据目标姿态与当前姿态的差值，通过电磁阀组控制气囊隔振器充放气，调整气囊隔振器至目标姿态；
控制器根据船舶主机加速度获得船舶主机振动情况，通过电磁阀组控制气囊隔振器充放气，调整气囊隔振器工作压力以稳定船舶主机的振动情况。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述控制器控制气囊隔振器的工作压力处于其气压安全值范围的方法包含：
控制器接收压力传感器上传的气囊隔振器的工作压力；
控制器判断气囊隔振器的工作压力超过气囊隔振器的气压安全值范围，则控制器控制电磁阀组停止对气囊隔振器充气，并对气囊隔振器进行放气。
7.如权利要求5或6所述的控制方法，其特征在于，所述控制器判断气囊隔振器的工作压力低于气囊隔振器的气压安全值范围，则判定气囊隔振器处于漏气状态，根据压力传感器与气囊隔振器的对应关系查出发生漏气的气囊隔振器。
8.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述控制器调整气囊隔振器至目标姿态的方法包含：
控制器接收位移传感器上传的垂直方向位移传感器信号以及水平方向位移传感器信号，得到气囊隔振装置的当前姿态；
控制器将气囊隔振装置当前姿态与目标姿态之间的差值转化为垂直方向和水平方向的位移差值，对气囊隔振器的充放气时间和顺序进行规划；
控制器向气囊隔振器对应的电磁阀组发送控制指令，控制电磁阀组通断，完成气囊隔振器的充放气操作，调整气囊隔振器至目标姿态。
9.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述控制器稳定船舶主机的振动情况的方法包含：
控制器根据加速度传感器的信号监测船舶主机系统当前的振动状况；
控制器判断船舶主机系统振动过大时，通过电磁阀组控制气囊隔振器充放气，调整气囊隔振器的工作压力，以稳定船舶主机的振动情况。
10.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述气囊隔振器、压力传感器、位移传感器、加速度传感器和电磁阀组设有不同的识别号，控制器对每个压力传感器、位移传感器、加速度传感器的信号进行识别和提取。
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