CN111272104B - 适用于极端环境下自动屏蔽位置传感器故障读数头的方法 - Google Patents

Abstract

适用于极端环境下自动屏蔽位置传感器故障读数头的方法：预设故障读数头输出数据对应规则；控制器内置四通道数据状态观测器，实时检测四个读数头对应的变量值；若读数头输出信号出现预设故障读数头输出数据对应规则中预设特征，则执行数据屏蔽算法；依据预设故障特征和数据屏蔽算法编写程序，在不影响设备运行的情况下实现故障读数头数据的自动屏蔽。本发明还包含相关的软件设计方案，并依据上述设计的四通道数据状态观测器原理编写程序。本发明实现了极端环境下光栅位置传感器故障读数头数据的自动屏蔽，用于多读数头光栅测角装置故障诊断及隔离。

Description

适用于极端环境下自动屏蔽位置传感器故障读数头的方法

技术领域

本发明涉及一种适用于极端环境下自动屏蔽位置传感器故障读数头的方法，具体涉及一种自动屏蔽天文望远镜光栅位置传感器故障读数头的方法。该方法可自动检测光栅位置传感器故障读数头并屏蔽该路信号以实现故障的有效隔离。

本发明是国家自然科学基金面上项目“极端环境下极大望远镜直接驱动系统非预期状态演化研究及评价方法”(11973065)和“南极大口径望远镜潜隐故障预警及无缝智能自愈策略的研究”(11373052)的成果，本成果得到国家留学基金资助。

背景技术

天文技术发展日新月异，望远镜为天文学的发展提供设备基础。为尽可能降低人类活动对天文观测造成的影响，望远镜大多工作于人迹罕至、自然恶劣的极端环境下，例如：南极。Dome A是目前公认地球上最好的天文观测台址，中国目前已有包括中国南极之星小型天文望远镜阵(CSTAR)和南极巡天望远镜(AST3-1和AST3-2)等多台望远镜工作于此。南极天文台项目也已步入实施阶段。工作于极端环境下天文望远镜故障的及时检测与处理既能提高望远镜的运行效率，又能为天文观测赢得宝贵时间。

天文望远镜是一套复杂的光机电动态系统，故障种类繁多，其中光栅位置传感器读数头输出信号故障是最常见的一种。目前光栅位置传感器读数头输出信号故障依靠人为干预判断，没有方法可实现自动屏蔽故障读数头输出信号并在不影响望远镜运行的前提下自动实现故障的隔离。

为提高天文望远镜运行可靠性，光栅位置传感器采用多读数头的设计方案。该方案一方面可提高望远镜运行精度，另一方面还可以起到冗余备份作用。以南极巡天望远镜AST3-3为例，高度轴和方位轴的光栅位置传感器读数头均采用四均布法安装。读数头安装位置简图如图1所示。

发明内容

本发明目的是提供一种适用于极端环境下自动屏蔽光栅位置传感器故障读数头数据的方法。该方法可自动屏蔽天文望远镜光栅位置传感器故障读数头数据，在不影响天文望远镜运行且保证运行精度的前提下实现该故障的有效隔离。

完成上述发明任务的技术方案是，一种适用于极端环境下自动屏蔽位置传感器故障读数头的方法，其特征在于，步骤如下，

预设故障读数头输出数据对应规则；

控制器内置四通道数据状态观测器，实时检测四个读数头对应的变量值；

若读数头输出信号出现预设故障读数头输出数据对应规则中预设特征，则执行数据屏蔽算法；依据预设故障特征和数据屏蔽算法编写程序，在不影响设备运行的情况下实现故障读数头数据的自动屏蔽。

所述预设三种故障读数头输出数据对应规则是：

规则1：故障读数头输出恒为零，即：

R₁:＝PosHeadx(t)＝PosHeadx(t+1)＝0，其中x＝1,2,3,4，且t≥0，

规则2：故障读数头输出为非零常数，即：

R₂:＝PosHeadx(t)＝PosHeadx(t+1)＝C，其中x＝1,2,3,4，且t≥0，C≠0，

规则3：故障读数头输出无序变化，即：

其中x＝1,2,3,4，且t≥0，

表示无序任意值，以上三种预设状态均发生在望远镜位置发生变化的情况下。

所述数据屏蔽算法特征为：

IF(R₁ or R₂ or R₃)

THEN PosHead1＝0,HeadNum--；

IF(R₁ or R₂ or R₃)

THEN PosHead2＝0,HeadNum--；

IF(R₁ or R₂ or R₃)

THEN PosHead3＝0,HeadNum--；

IF(R₁ or R₂ or R₃)

THEN PosHead4＝0,HeadNum--；

软件设计流程如下：系统运行，观测器依次检测1号到4号读数头输出数据。若1号读数头输出数据正常，即不满足三种规则中的任意一个时，则观测器开始检测2号读数头数据。若1号读数头输出数据异常，即满足中三种规则至少之一，则将对应读数头位置信息所对应的变量值设为零，同时将存储读数头个数对应的变量自减1。以此类推，直至将四个读数头检测一遍，此为观测器运行一个周期。观测器在秒定时器工作下以上述工作模式循环运行。

天文望远镜为实现高精度跟踪控制，位置传感器的选择极为重要。本发明选用的望远镜高度轴和方位轴位置反馈元件是海德汉ERA 4280C光栅。光栅一周被分为四万个刻线，四个读数头均匀安装在周围，每个读数头将采集望远镜位置信息的模拟信号发送给UMAC运动控制器。为了提高转台的测角精度和分辨率，细分模块将对光栅输出的原始信号进行4096细分。利用四均布读数头数字量相加的数据处理方式可最终获得望远镜输出轴的位置信息。

光栅位置传感器读数头经接口模块与四通道数据采集卡相连接，数据采集卡内置细分模块和模数转换模块，最终将转换后的数字信号输送给控制器UMAC。数据采集与处理流程图如图2所示。将四个读数头读取的位置信息分别存储于寄存器对应的地址中，并用唯一的全局变量表示。控制器内置四通道数据状态观测器，实时检测四个读数头存储地址对应的变量值。若出现对应变量值为零、固定值和无序跳变三种情况至少之一者，则说明该读数头对应的输出数据故障，此时将该读数头对应的通道关闭，即将该通道数据对应的变量设为零，同时将读数头个数自减1。至此，实现了故障读数头输出信号的自动屏蔽。方法设计原理图如图3所示。

本发明还包含相关的软件设计方案，并依据上述设计的四通道数据状态观测器原理编写程序。系统开始运行，检查数据通讯无异常后，上位机控制器开始读取各读数头输出信号。四通道数据状态观测器开始依次检测1号到4号读数头输出数据。若1号读数头输出数据正常，即没有出现对应变量值为零、固定值和无序跳变三种情况，则观测器开始检测2号读数头数据。若1号读数头输出数据异常，即出现对应变量值为零、固定值和无序跳变三种情况至少之一，则将存储读数头个数对应的变量值自减1。以此类推，直至将4个读数头均检测一遍，此为四通道数据状态观测器运行一个周期。观测器在秒定时器工作下以上述工作模式循环运行。其软件设计流程图如图4所示。

本发明目的旨在提供一种适用于极端环境下自动屏蔽光栅位置传感器故障读数头信号的一种方法。与现有技术相比，本发明可利用运动控制器中内置数据状态观测器的方法自动屏蔽故障读数头数据，实现了光栅位置传感器多读数头位置传感器设备的故障诊断及隔离，从而实现了设备的不间断运行。

附图说明

图1读数头安装位置简图；

图2数据采集流程图；

图3方法设计原理图；

图4软件程序设计流程图。

具体实施方式

受极端运行环境的影响，位置传感器读数头信号异常是望远镜常见故障之一。如何实现望远镜位置传感器读数头信号异常故障在不受人为干预的状态下智能自愈一直是困扰维护人员的难题。本发明在不影响望远镜运行的前提下实现了该故障的有效隔离。

下面结合附图和实施案例对本发明进一步说明。天文望远镜光栅位置传感器读数头采用经典的四均布法安装。其安装示意图如图1所示。四个读数头经四路屏蔽双绞线与多轴运动控制器UMAC四通道数据采集卡ACC-51E连接。将每通道采集的读数头位置信息存储至寄存器的一个地址中，UMAC中共有8096个M变量。将四个读数头分别设为R0、R1、R2和R3，将采集的位置信息分别赋值于变量M8000、M8001、M8002和M8003，并存储于对应地址中。望远镜实际位置信息采用四个读数头位置信息的数学平均值，并将其赋值于变量M8004。

当四个读数头均正常工作时，望远镜旋转一周对应的细分数TotalCts为：

其中TotalPulse＝40000，代表光栅码盘刻线数，表示码盘旋转一周输出40000个脉冲。

Count＝4096，表示每个脉冲的细分数。故此时光栅码盘的分辨率Para_Ct2Sec为：

望远镜位置CurPosSec可表示为如下：

CurPosSec＝CurPosCts*Para_Ct2Sec

PosHead1、PosHead2、PosHead3、PosHead4分别表示四个读数头位置数据；

当望远镜位置发生变化，系统检测到某一个读数头输出信息为以下三种故障模式至少之一时，则令该读数头位置信息所对应的变量值为零。

故障1：故障读数头输出恒为零；

故障2：故障读数头输出为非零常数；

故障3：故障读数头输出无序变化。

制定上述读数头三种预设故障对应的规则如下：

规则1：故障读数头输出恒为零，即：

R₁:＝PosHeadx(t)＝PosHeadx(t+1)＝0(x＝1,2,3,4；t≥0)

规则2：故障读数头输出为非零常数，即：

R₂:＝PosHeadx(t)＝PosHeadx(t+1)＝C(x＝1,2,3,4；t≥0；C≠0)

规则3：故障读数头输出无序变化，即：

(x＝1,2,3,4；t≥0；

表示无序任意值)

注：上述规则中符号“：＝”表示“定义为”，“左边：＝右边”即表示“左边定义为右边”。

设计四通道数据状态观测器，该观测器是根据外部输入变量的实测值和系统自身设定的边界条件来判断系统状态的一类实时动态系统。该四通道数据状态观测器的设计能实现对四通道数据的实时监测，从而判断读数头信号是否满足上述三种规则至少之一者。

如有其中任意一条规则成立，则执行相关操作。数据屏蔽算法设计如下：

IF(R₁ or R₂ or R₃)

THEN PosHead1＝0,HeadNum--；

IF(R₁ or R₂ or R₃)

THEN PosHead2＝0,HeadNum--；

IF(R₁ or R₂ or R₃)

THEN PosHead3＝0,HeadNum--；

IF(R₁ or R₂ or R₃)

THEN PosHead4＝0,HeadNum--；

其中C表示某一常数，

表示无序任意数值，HeadNum表示读数头个数，初始值为4。此时望远镜的输出位置CurPosCts即为剩余读数头位置信息的平均值。

数据状态观测器的设计可增强位置传感器回路系统的鲁棒性及容错性，四个读数头输出同时故障的概率远低于单个读数头输出故障的概率。该方法特别适用于远程及无人干预系统的控制，例如南极无人值守望远镜控制系统。

系统开始运行，若通讯无异常即可开始读数头信号的采集。先检查1号读数头信号数据，若对应变量值没有出现零值、定值数据和数值无序跳变三种情况之一，则继续检查存储2号读数头信号数据的变量是否存在以上三种情况，以此类推，直至将4个读数头都检测完毕。若其中任何一个读数头信号出现以上三种情况中至少之一时，则将对应读数头位置信息所对应的变量值设为零，同时将变量HeadNum自减1。该程序设定在秒定时器工作下重复以上操作。

求得望远镜参数CurPosCts后即可根据公式：

CurPosSec＝CurPosCts*Para_Ct2Sec

求得望远镜位置信息CurPosSec，经以下公式转换：

s＝[((CurPosSec)mod(3600))mod(60)]

其中[]表示取整，mod表示求余。

至此即可将望远镜位置信息转换为度-分-秒格式。

位置传感器确定的位置信息直接关系到望远镜位置、零位以及电机相位的确定过程，当某一个读数头信号出现上述三种异常时，则采取上述操作。将存储望远镜位置信息的相关变量设为全局变量，当执行以上操作时，则该全局变量会自动同步，以免影响望远镜其它相关功能。其软件设计流程如图4所示。

Claims (5)

1.一种适用于极端环境下自动屏蔽位置传感器故障读数头的方法，其特征在于，步骤如下，

预设故障读数头输出数据对应规则；

控制器内置四通道数据状态观测器，实时检测四个读数头对应的变量值；

若读数头输出信号出现预设故障读数头输出数据对应规则中预设特征，则执行数据屏蔽算法；

依据预设故障特征和数据屏蔽算法编写程序，在不影响设备运行的情况下实现故障读数头数据的自动屏蔽；

所述预设故障读数头输出数据对应规则是：

规则1：故障读数头输出恒为零，即：

R₁：＝PosHeadx(t)＝PosHeadx(t+1)＝0，其中x＝1，2，3，4，且t≥0，

规则2：故障读数头输出为非零常数，即：

R₂：＝PosHeadx(t)＝PosHeadx(t+1)＝C，其中x＝1，2，3，4，且t≥0，C≠0，

规则3：故障读数头输出无序变化，即：

其中x＝1，2，3，4，且t≥0，

表示无序任意值，

上述规则中符号“：＝”表示“定义为”，“左边：＝右边”即表示“左边定义为右边”；

以上三种预设状态均发生在望远镜位置发生变化的情况下。

2.根据权利要求1所述的适用于极端环境下自动屏蔽位置传感器故障读数头的方法，其特征在于，所述数据屏蔽算法特征为：

IF(R₁ or R₂ or R₃)

THEN PosHead1＝0，HeadNum--；

IF(R₁ or R₂ or R₃)

THEN PosHead2＝0，HeadNum--；

IF(R₁ or R₂ or R₃)

THEN PosHead3＝0，HeadNum--；

IF(R₁ or R₂ or R₃)

THEN PosHead4＝0，HeadNum--。

3.根据权利要求1所述的适用于极端环境下自动屏蔽位置传感器故障读数头的方法，其特征在于，软件设计流程如下：系统运行，观测器依次检测1号到4号读数头输出数据；若1号读数头输出数据正常，即不满足三种规则中的任意一个，则观测器开始检测2号读数头数据；若1号读数头输出数据异常，即满足三种规则至少之一，则将对应读数头位置信息所对应的变量值设为零，同时将存储读数头个数对应的变量自减1；以此类推，直至将四个读数头检测一遍，此为观测器运行一个周期；观测器在秒定时器工作下以上述工作模式循环运行。

4.根据权利要求1-3之一所述的适用于极端环境下自动屏蔽位置传感器故障读数头的方法，其特征在于，光栅位置传感器读数头经接口模块与四通道数据采集卡相连接，数据采集卡内置细分模块和模数转换模块，最终将转换后的数字信号输送给控制器UMAC；将四个读数头读取的位置信息分别存储于寄存器对应的地址中，并用唯一的全局变量表示；控制器内置四通道数据状态观测器，实时检测四个读数头存储地址对应的变量值；若出现对应变量值为零、固定值和无序跳变三种情况至少之一者，则说明该读数头对应的输出数据故障，此时将该读数头对应的通道关闭，即将该通道数据对应的变量设为零，同时将读数头个数自减1。

5.根据权利要求4所述的适用于极端环境下自动屏蔽位置传感器故障读数头的方法，其特征在于，当四个读数头均正常工作时，望远镜旋转一周对应的细分数TotalCts为：

其中TotalPulse＝40000，代表光栅码盘刻线数，表示码盘旋转一周输出40000个脉冲；

Count＝4096，表示每个脉冲的细分数；故此时光栅码盘的分辨率Para_Ct2Sec为：

望远镜位置CurPosSec表示为：

CurPosSec＝CurPosCts*Para_Ct2Sec

PosHead1、PosHead2、PosHead3、PosHead4分别表示四个读数头位置数据；

当望远镜位置发生变化，系统检测到某一个读数头输出信息为以下三种故障模式至少之一时，则令该读数头位置信息所对应的变量值为零。

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