某起豎機構起豎速度過慢誤報警問題分析與對策

王志勇，李博，劉海陽

（北京航天發射技術研究所，北京100076）

1 引言

起豎機構在起豎動作過程中，需要對起豎角速度進行監測，以判斷整個起豎過程中機構是否按預設速度進行，進而確認起豎執行機構是否正常工作。本文以一起數據截斷誤差導致某起豎機構起豎速度過慢的誤報警故障為例，通過對數據處理方式分析以及試驗驗證，確定故障原因，并針對此類故障提出了相應的抑制措施，提高設備的可靠運行水平。

2 起豎系統原理及故障現象

起豎控制系統一般采用軸角傳感器測量起豎耳軸旋轉角度，獲取起豎角度，作為起豎到位的判定。過程中，起豎控制器基于起豎角度進行差分計算，以獲取起豎機構的角速度，根據不同起豎角度設定不同起豎目標速度，并進行速度閉環控制，輸出對應的液壓控制量，驅動起豎液壓缸伸出，以實現整個起豎過程平穩快速動作。同時，起豎過程中對角速度進行閾值判斷，確認過程中是否存在速度過快的失控現象，或者速度過慢的機構卡滯故障。

某起豎機構在起豎過程中，報警起豎角速度過慢，起豎過程異常中止。該機構起豎角速度過慢報警的觸發條件是3s內角度變化不超過1.2′。檢測該起豎速度數據曲線，發現起豎角速度存在突變現象，如圖1 所示。該起豎機構的軸角傳感器采用CANopen 接口多圈光電編碼器，起豎控制器采用32 位計算機。

圖1 異常速度曲線

3 問題分析和對策

3.1 問題分析

對異常機構起豎過程記錄數據進行分析，光電編碼器CAN 總線輸出的原始值數據曲線平滑，并無突變現象?；诖嗽紨祿?，在實驗室利用控制器和相應軟件進行模擬，發現經軟件處理后的起豎角度值呈階梯狀變化，以角度29°～30°為例，起豎角度如圖2 所示，以此起豎角度數據計算出的角速度存在突變，與故障現象相符。

圖2 異常起豎角度

進一步分析計算機軟件使角度值呈階梯狀變化的原因。多圈編碼器的單圈分辨率為 65 536（16 位），最大圈數4 096 圈。多圈編碼器原始值包括圈數和單圈角度分辨值，控制器軟件對原始值的處理方法如下：

1）按式（1）實時計算多圈編碼器絕對角度值N：

式中，Q 為多圈編碼器圈數；n 為多圈編碼器單圈內角度分量。

2）在機構回平狀態下，存儲多圈編碼器絕對角度值N0，作為起豎角度的基準值；

3）起豎過程中，按式（2）實時計算起豎角度U：

多圈編碼器絕對角度值據存儲為float 型，二進制占32位，其中數據占23 位，數據中包括整數和小數，若整數占位多，則小數占位少。編碼器圈數、角度值整數占位、小數占位對應關系如表1 所示。

表1 編碼器圈數、角度值整數占位、小數占位對應關系

由表1 可知，隨著編碼器圈數的增大，數據處理的分辨率逐漸變差，截斷誤差逐漸增大[1]。編碼器單圈分辨率65 536（16位），相當于360/65 535=0.005 49°，好的數據處理，其可分辨的最小角度應小于編碼器自身分辨角度。

異常機構光電編碼器CAN 總線輸出的原始值圈數為4 094～4 095，控制器軟件最小可分辨0.125°，角度變化存在較大階躍，在差分計算角速度速度時，導致速度突變，角度變化越緩慢，角速度突變現象越明顯。

起豎動作為角速度閉環控制，起豎過程中實時計算當前角速度值，與設定的目標角速度值進行比較，軟件根據其差值調整比例流量閥的控制量，并且在接近起豎目標角度時，為避免震蕩，使機構緩慢減速，控制量只減小，不增加。正常情況下，計算得出的角速度與設定的目標角速度擬合較好，控制量緩慢調節直至機構進入精度范圍；異常情況下，計算得出的角速度存在突變，其數值遠大于設定的目標角速度。軟件根據比較結果，快速減小控制量，一旦控制量減小至比例流量閥死區值，則機構動作極其緩慢或停止動作，產生起豎角速度過慢誤報警。

綜上所述，起豎速度過慢誤報警問題的原因為編碼器安裝圈數過大，計算過程角度數據過大，影響控制軟件數據處理的分辨率，起豎角度截斷誤差過大，進而導致計算角速度存在突變，起豎閉環控制異常。

3.2 處理對策

起豎機構量產過程中，起豎編碼器安裝后，其安裝圈數是隨機值，如果將所有編碼器的安裝圈數調小，必然帶來巨大的工作量，因此人工調整編碼器安裝圈數不可行。在此情況下，為避免出現計算過程出現大角度數據影響數據處理分辨率的問題，可采用如下起豎角度處理方法：

1）在機構回平狀態下，存儲多圈編碼器圈數和單圈內角度分量，作為起豎角度的基準值；

2）起豎過程中，按式（3）實時計算起豎角度：

軟件完善后，通過對實際起豎機構的試驗驗證，角速度曲線平滑，已無突變現象。

4 結語

本文通過某起豎機構起豎速度過慢誤報警問題的分析、處理和驗證，說明了數據處理截斷誤差的影響和應對方法。截斷誤差是計算機數據處理過程中必然存在的一種特性，在計算數值較大，尤其在差分計算時，其影響將被放大，甚至影響系統正常運行，設計時應予以關注。數據處理設計過程中，應對處理方法進行優化，盡量避免較大數值的數據產生。