CN109587910B - 一种船舶应急照明控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶应急照明控制器及其控制方法，所述控制器包括第一数据隔离模块、与第一数据隔离模块相连接的CAN总线数据收发模块，与CAN总线数据收发模块连接的控制器模块，与控制器模块分别连接的应急照明灯切换模块、485总线数据收发模块和数据采集模块，与485总线数据收发模块连接的第二数据隔离模块，电源模块分别其他各模块分别连接。所述控制方法是数据采集模块对照明灯的工作状态进行监测，控制器将监测数据利用卡尔曼滤波数据融合算法进行滤波分析，得到精度高、噪声小以及更加平稳的数据值，可对出现故障的照明灯进行高效、准确检测，实现对应急照明灯的控制管理。

Description

一种船舶应急照明控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种船舶照明控制器及其控制方法,具体涉及一种船舶应急照明控制器及其控制方法。

背景技术

应急照明系统是船舶电气的重要组成部分，其作用在主电源发生故障导致不能正常照明时为船舶提供应急照明。应急照明系统的照明范围主要包括重要工作舱室、电梯等重要设备及逃生通道出。目前针对船舶应急照明控制装置不多，传统的应急照明装置直接通过应急配电板及专用线路供电，结构与接线复杂，同时，对发生故障的应急照明灯不能做出快速处理，控制效率低，而且无法实时获得应急照明灯的工作参数和故障位置等信息。目前的一些船舶应急照明装置自动化程度不高，不具有普遍应用价值，而且未给出控制器的具体实施方法。

发明内容

发明目的：本发明提供一种船舶应急照明控制器，该控制器能够高效、准确、快速地实现应急照明灯的控制。本发明的另一目的是提供该控制器的控制方法。

技术方案：一种船舶应急照明控制器，包括第一数据隔离模块、与第一数据隔离模块相连接的CAN总线数据收发模块、与CAN总线数据收发模块连接的控制器模块、与控制器模块分别连接的应急照明灯切换模块、485总线数据收发模块和数据采集模块、与485总线数据收发模块连接的第二数据隔离模块、电源模块分别与第一数据隔离模块、CAN总线数据收发模块、控制器模块、应急照明灯切换模块、第二数据隔离模块、485总线数据收发模块以及数据采集模块连接。

一种基于上述的船舶应急照明控制器的控制方法，该方法包括以下步骤：

(1)主控制器将控制照明灯数量n₀的指令封装，该指令经过数据隔离模块和CAN总线数据收发模块传输至控制器模块中进行解析处理，控制器模块将设置好的n₀个照明灯所对应的ID号发送至应急照明灯切换模块，应急照明灯切换模块将n₀个ID号所对应的照明灯点亮；

(2)控制器模块发送采集指令传输到数据采集模块，数据采集模块具有对照明灯工作电流的X路数据采集通道与工作电压的一路数据采集通道，数据采集模块将采集的n₀个照明灯的工作电流i₀₁,i₁₁,…,i_n1、i₀₂,i₁₂,…,i_n2、i₀₃,i₁₃,…,i_n3、...i_0x,i_1x,…i_nx和工作电压u₀，u₁,…,u_n打包传输至控制器模块，i₀₁为ID0号照明灯采集模块第一路所采集的电流,i₁₁为ID1号照明灯采集模块第一路所采集的电流，i_0x为ID0号照明灯采集模块第X路所采集的电流，u₀为ID0号照明灯采集模块所采集的工作电压；

(3)控制器模块收到数据包后对电流数据和电压数据运用卡尔曼滤波数据融合算法进行解析，将采集的工作电流i₀₁,i₁₁,…,i_n1、i₀₂,i₁₂,…,i_n2、i₀₃,i₁₃,…,i_n3、...i_0x,i_1x,…i_nx和工作电压u₀，u₁,…,u_n转化成i₁,i₂,…,i_n和u_a′，控制器模块对i₁,i₂,…,i_n和u_a，的数值进行故障诊断分析，若判定某照明灯出现故障则控制应急照明灯切换模块动作，即根据故障ID号熄灭故障照明灯和打开应急照明灯；

(4)控制器模块将i₁,i₂,…,i_n和u_a，以及故障照明灯ID分别打包成CAN数据包和485数据包，CAN数据包经过CAN总线数据收发模块、数据隔离模块后传输到主控制板，485数据包经过485收发模块、数据隔离模块后传输至PC端。

有益效果：(1)本发明采用CAN总线与485总线通讯方式，方便主控制器和PC端与控制器模块布线连接，可以实现后台服务功能，从而实现对船舶照明设备进行集中管理，实现高效运行和按需照明的要求，同时兼具通讯稳定、传输速度快效率高、所占控制器模块IO口数量少等优点。(2)本发明采用卡尔曼滤波数据融合算法，既有常规卡尔曼滤波算法的结构简单、工作稳定等优点，又能实时获得高精度检测电流、降低噪声、有效减小数据传输量进而达到节省能源效果、并且兼具实时融合的动态性能、显著提高采集数据的可信度，同时为实现船舶应急照明系统的信息化、自动化具有一定的实际应用价值。(3)本发明采用数据采集模块，对任意工作照明灯进行多路数据采集，减小传感器手噪声影响，结构简单，提高了采集模块整体的采样精度。(4)本发明采用应急照明灯切换模块，执行切换动作速度快，延时小，兼具故障保护功能、隔离功能以及抗干扰能力，安全系数高。(5)本发明所使器件较少、成本低和体积小，方便扩展以及安装使用。

附图说明

图1是本发明的模块结构示意图；

图2是本发明的模块控制流程图；

图3是本发明的控制方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种船舶应急照明智能控制器，包括第一数据隔离模块、CAN总线数据收发模块、电源模块、控制器模块、应急照明灯切换模块、第二数据隔离模块、485总线数据收发模块以及数据采集模块。第一数据隔离模块与CAN总线数据收发模块连接，CAN总线数据收发模块与控制器模块连接，数据隔离模块与485总线数据收发模块连接，485总线数据收发模块与控制器模块连接，控制器模块同时与应急照明灯切换模块、数据采集模块连接，电源模块同时与数据隔离模块、CAN总线数据收发模块、控制器模块、应急照明灯切换模块、数据隔离模块、485总线数据收发模块以及数据采集模块连接。

第一数据隔离模块和第二数据隔离模块可由数字隔离芯片构成隔离电路，实现主控制器与控制器模块之间信号隔离。485总线数据收发模块可包括由485收发器芯片所构成收发电路，完成数据包传输至PC端。控制器模块4可包括由控制器芯片构成最小单位系统电路，完成485数据包打包处理、CAN数据包解析和打包处理、发送数据采集控制指令、采样数据信息接收、数据处理算法的实现、故障诊断分析以及发送照明灯通断控制指令。数据采集模块由传感器、采样芯片所构成采集电路，完成照明灯数据采集。应急照明灯切换模块完成根据接收的数量设置指令点亮照明灯以及故障灯与应急灯之间的通断切换。电源模块可包括由DC/DC模块电源、整流装置、法拉电容以及滤波电路所构成的电路。电源模块的输入端与外部开关电源连接，输出端连接整流装置、法拉电容、滤波电路，滤波电路分别与控制器模块、CAN总线数据收发模块、485总线数据收发模块连接。

如图2所示，基于上述船舶应急照明控制器的控制方法，具体步骤如下：

(1)主控制器把设置照明灯数量n₀的指令封装在CAN数据包中，经过第一数据隔离模块和CAN总线数据收发模块后传输到控制器模块中做解析处理，控制器模块将设置好的n₀个照明灯所对应的ID号发送至应急照明灯切换模块，应急照明灯切换模块同时将n₀个ID号所对应的照明灯点亮。

(2)控制器模块,发出采集指令传输到数据采集模块，数据采集模块具有多路电流数据采集和一路电压数据采集功能，本实施例为4路电路数据与1路电压数据采集，4路电流数据为不同通道分别采集的该照明灯的工作电流，1路电压数据为照明灯的工作电压，也是所有照明灯的供电电压，数据采集模块对此n₀个ID号所对应的照明灯同时进行四路电流及1路电压数据采集，将采集的n₀个照明灯的工作电流i₀₁,i₁₁,…,i_n1、i₀₂,i₁₂,…,i_n2、i₀₃,i₁₃,…,i_n3、i₀₄,i₁₄,…,i_n4和工作电压u₀，u₁,…,u_n打包传输至控制器模块4。此处，i₀₁为ID0号照明灯采集模块第一路所采集的电流,i11,为ID1号照明灯采集模块第一路所采集的电流，i₀₂为ID0号照明灯采集模块第二路所采集的电流，u₀为ID0号照明灯采集模块所采集的工作电压。

(3)控制器模块收到数据包后进行解析，运行卡尔曼滤波数据融合算法，经过算法处理后，得到精度高、噪声小以及更加平稳的数据值，i₁,i₂,…,i_n、u_a，控制器模块对此数据进行故障诊断分析，如果判定某照明灯出现故障则控制应急照明灯切换模块动作，并根据故障ID号熄灭故障照明灯同时打开应急照明灯。此处，i₁,i₂,…,i_n为n₀个照明灯的工作电流，u_a为照明灯工作电压，照明灯由电源模块统一供电，采集u₀，u₁,…,u_n个电压再进行滤波数据融合得到平稳的u₀是避免噪声对各路照明灯的影响。

如图3，上述步骤3中故障诊断分析是根据u₀以及照明灯工作参数动态生成照明灯正常工作的电流阈值上下限、电流阈值次上下限，同时i₁,i₂,…,i_n与此阈值比较，具体过程如下：

3.1：数据采集模块将各采集点采集的数据传输给控制器模块；

3.2：控制器模块收到各采集点发回的采样数据后剔除野点，为卡尔曼滤波数据融合过程筛选有效数据；

3.3：控制器模块通过卡尔曼滤波数据融合方法对筛选后的有效数据进行处理，通过对历史数据的递归计算以及当前采样数据的预测来得到一个当前时刻的平滑数值。

控制器模块对卡尔曼滤波数据融合方法处理具体步骤如下：

a.建立数据采集离散系统的状态空间表达式并参数设定；

b.根据上一时刻状态，预测当前时刻状态；根据上一时刻系统预测误差，预测当时时刻系统预测误差；

c.将观测方程与状态一步预测值方程进行结合，得到该时刻的系统状态最优估计值；

d.计算系统当前时刻系统预测误差，返回步骤b。

控制器利用卡尔曼滤波算法的数据融合处理数据是利用卡尔曼滤波来描述照明灯工作参数前后时刻估计值的递推关系，实际上是一个离散控制过程系统，具体如下：

该系统数学模型为：

X_k＝AX_k-1+BU_k+W_k

Z_k＝HX_k+V_k

上述两式分别为状态方程以及观测方程，X_k、X_k-1分别为k、k-1时刻系统的状态变量、U_k、Z_k为k时刻系统的控制量及测量值、A、B为系统参数、W_k、V_k分别为系统的过程噪声及测量噪声，此模型中将二者认为高斯白噪声、H为测量系统的参数。

基于上式，可得出卡尔曼滤波器时间更新方程：

根据本时刻的状态估计下一时刻的卡尔曼滤波器状态更新方程：

P_k＝(1-G_kH)P_k，k-1

式中，为状态估计值、/>为k-1到k时刻的预测值、P_k为误差协方差、Q为协方差、G_k为卡尔曼增益。

根据系统的状态方程来对系统下一步状态进行预测，预测值方程为：

P_k，k-1为k-1到k时刻的一步状态预测值所对应的协方差。

将本系统数学模型中的状态方程与预测值方程结合得到k时刻系统状态的最优估计值，卡尔曼滤波器将预测值和测量值进行比较，同时结合更新的协方差对状态估计值进行加权修正，其方程如下：

X_k，k＝X_k，k-1+G_k[Z_k-HX_k，k-1]

P_k，k＝[I-G_kH]P_k，k-1

I为单位矩阵。

采集的传感器数据通过卡尔曼滤波器后，得到去除了噪声的更加平稳的数据值，最后再使用加权平均算法作为数据融合的关键步骤，方程如下：

y＝∑(z_i*w_i)/∑w_i(i＝1,2,…n)

y为加权平均数，是采集的照明灯数据经过处理后的最终值。

通过以上公式，卡尔曼滤波器可不断迭代下去，同时卡尔曼滤波数据融合处理后的数据量明显减少，从而数据传输过程中减少数据量。

(4)控制器模块将卡尔曼滤波算法处理后的采样数据以及故障照明灯ID分别打包成CAN数据包和485数据包，CAN数据包经过CAN总线数据收发模块、数据隔离模块后传输到主控制板处理，485数据包经过485收发模块、数据隔离模块后传输至PC端处理。此处，CAN数据包和485数据包为n₀个照明灯的工作电流i₁,i₂,…,i_n、照明灯工作电压u_a以及故障照明灯ID号。

Claims (3)

1.一种船舶应急照明控制器的控制方法，所述控制器包括：第一数据隔离模块、与第一数据隔离模块相连接的CAN总线数据收发模块、与CAN总线数据收发模块连接的控制器模块、与控制器模块分别连接的应急照明灯切换模块、485总线数据收发模块和数据采集模块、与485总线数据收发模块连接的第二数据隔离模块、电源模块分别与第一数据隔离模块、CAN总线数据收发模块、控制器模块、应急照明灯切换模块、第二数据隔离模块、485总线数据收发模块以及数据采集模块连接；其特征在于，该控制器的控制方法包括以下步骤：

(1)主控制器将控制照明灯数量n₀的指令封装，该指令经过第一数据隔离模块和CAN总线数据收发模块传输至控制器模块中进行解析处理，控制器模块将设置好的n₀个照明灯所对应的ID号发送至应急照明灯切换模块，应急照明灯切换模块将n₀个ID号所对应的照明灯点亮；

(2)控制器模块发送采集指令传输到数据采集模块，数据采集模块具有对照明灯工作电流的X路数据采集通道与工作电压的一路数据采集通道，数据采集模块将采集的n₀个照明灯的工作电流i₀₁，i₁₁，…，i_n1、i₀₂，i₁₂，…，i_n2、i₀₃，i₁₃，…，i_n3、...i_0x，i_1x，…i_nx和工作电压u₀，u₁，…，u_n打包传输至控制器模块，i₀₁为ID0号照明灯采集模块第一路所采集的电流，i₁₁为ID1号照明灯采集模块第一路所采集的电流，i_0x为ID0号照明灯采集模块第X路所采集的电流，u₀为ID0号照明灯采集模块所采集的工作电压；

(3)控制器模块收到数据包后对电流数据和电压数据运用卡尔曼滤波数据融合算法进行解析，将采集的工作电流i₀₁，i₁₁，…，i_n1、i₀₂，i₁₂，…，i_n2、i₀₃，i₁₃，…，i_n3、...i_nv，i_1x，...i_n，x和工作电压u₀，u₁，…，u_n转化成i₁，i₂，…，i_n和u_n’，控制器模块对i₁，i₂，…，i_n和u_a’的数值进行故障诊断分析，若判定某照明灯出现故障则控制应急照明灯切换模块动作，即根据故障ID号熄灭故障照明灯和打开应急照明灯；

(4)控制器模块将i₁，i₂，…，i_n和u_a’以及故障照明灯ID分别打包成CAN数据包和485数据包，CAN数据包经过CAN总线数据收发模块、第一数据隔离模块后传输到主控制器，485数据包经过485总线数据收发模块、第二数据隔离模块后传输至PC端。

2.根据权利要求1所述的船舶应急照明控制器的控制方法，其特征在于：步骤(3)中故障诊断分析是根据u₀以及照明灯工作参数动态生成照明灯正常工作的电流阈值上下限、电流阈值次上下限，同时i₁，i₂，…，i_n与此阈值比较，具体步骤如下：

3.1、数据采集模块将各采集点采集的数据传输给控制器模块；

3.2、控制器模块收到各采集点发回的采样数据后剔除野点，为卡尔曼滤波数据融合算法的融合过程筛选有效数据；

3.3、控制器模块通过卡尔曼滤波数据融合算法对筛选后的有效数据进行处理，即通过对历史数据的递归计算以及当前采样数据的预测来得到一个当前时刻的平滑数值。

3.根据权利要求2所述的船舶应急照明控制器的控制方法，其特征在于：步骤3.3中控制器模块对卡尔曼滤波数据融合算法处理包括步骤如下：

a、建立数据采集离散系统的状态空间表达式并进行参数设定；

b、根据上一时刻状态，预测当前时刻状态；根据上一时刻系统预测误差，预测当时时刻系统预测误差；

c、将观测方程与状态一步预测值方程进行结合，得到该时刻的系统状态最优估计值；

d、计算系统当前时刻系统预测误差，返回步骤b。