【摘要】齒盤測速是重要的一種水電機組測速方法，本文以圖文結(jié)合的方式從齒盤測速的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說明其工作的原理。介紹了測速流程以及各個部分的運行方式，并引入了一些理論公式和方式。

【關(guān)鍵詞】齒盤測速；水電機組；傳感器；原理

齒盤測速其原理是在水電機組的轉(zhuǎn)軸端部上安裝環(huán)形齒狀設(shè)備（齒盤），它是由傳感器和信息處理器組成的。首先，當機組旋轉(zhuǎn)時，由接近式或光電式傳感器感應產(chǎn)生反映機組轉(zhuǎn)速的脈沖信號，然后由單片機構(gòu)成的智能儀表測量脈沖寬度并計算獲取機組轉(zhuǎn)速。齒盤測速是一種水電機組轉(zhuǎn)速的直接測量方式，其可靠性和可信度明顯優(yōu)于殘壓測速，所以在水電機組的運行中多采用齒盤測速。

1.齒盤測速的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1傳感器

傳感器是齒輪測速系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，當機組旋轉(zhuǎn)時，負責感應脈沖信號，然后傳遞給單片機，由智能儀器即轉(zhuǎn)速信息處理器來測量脈沖寬度從而轉(zhuǎn)化成輸出數(shù)據(jù)。所以傳感器的感應精準度直接會影響到最后的測速結(jié)果。

比較常用的傳感器有接近式和光電式，它的原理就是在發(fā)電機大軸上固定一個加工的齒盤，通過齒盤與發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)動讓光電信號通過與遮擋來獲得電脈沖信號。

其安裝如下圖所示：

1.2單片機

單片機是接受脈沖信號也就是方形波并進行計算分析最后得出速度數(shù)據(jù)的重要程序。它相當于一個微型的電腦，它內(nèi)部也用和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，單片機是靠程序工作的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，通過你編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！

單片機由三個部分組成。（1）運算器：執(zhí)行各種算術(shù)運算和各種邏輯運算，并進行邏輯測試，如零值測試或兩個值的比較。（2）控制器：由程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時序發(fā)生器和操作控制器等組成，是發(fā)布命令指揮整個微機系統(tǒng)的操作。（3）主要寄存的“決策機構(gòu)”，即協(xié)調(diào)和器：包括累加器A、數(shù)據(jù)寄存器DR、指令寄存器IR和指令譯碼器ID、程序計數(shù)器PC、地址寄存器AR，這五個部分所存儲的對象各有不同，劃分明確。這三大塊構(gòu)成了單片機，承載著對脈沖信號的接受以及處理得到數(shù)據(jù)的重要任務，十分關(guān)鍵。

2.提高齒盤測速精度的原理

齒盤測速的原理不算復雜，但在控制精度上還存在著諸多問題，在齒盤測速中，齒盤的加工精度很難保證水電機組轉(zhuǎn)速測量的精度要求，為了解決這一問題，隨著科技的進步與發(fā)展，研究人員提出了基于卡爾曼濾波的單傳感器齒盤測速方法，在保證水電機組測速實時性要求的前提下，消除加工精度對測量精度的影響，并有效地提高了測速機構(gòu)的可靠性。

簡單來說，卡爾曼濾波器是一個最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法。對于解決很大部分的問題，他是最優(yōu)，效率最高甚至是最有用的。他應用廣泛包括機器人導航，控制，傳感器數(shù)據(jù)融合甚至在軍事方面的雷達系統(tǒng)以及導彈追蹤等等?？柭鼮V波的實質(zhì)是由量測值重構(gòu)系統(tǒng)的狀態(tài)向量。它以“預測—實測—修正”的順序遞推，根據(jù)系統(tǒng)的量測值來消除隨機干擾，再現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)，或根據(jù)系統(tǒng)的量測值從被污染的系統(tǒng)中恢復系統(tǒng)的本來面目。將其引入齒盤測速，大大的提升了數(shù)據(jù)的精確度。

3.卡爾曼濾波器算法

卡爾曼濾波器與齒盤測速有著密切的聯(lián)系，以卡爾曼濾波器為源的卡爾曼濾波器算法應用在齒盤測速里，很大的提高了數(shù)據(jù)的精度。對于卡爾曼濾波器，最核心的內(nèi)容是五大公式，比較繁多，在此不做過多的贅述。在此，借助一個具體的情景來為大家介紹一下卡爾曼濾波器工作的原理，也就是它如何讓齒盤測速的數(shù)據(jù)更為精確的計算方式。

首先，我們可以進行假設(shè)，比如，我們現(xiàn)在的研究對象是測量一個房間的溫度。根據(jù)日常經(jīng)驗，可先設(shè)定一個下一分鐘的溫度值，再用溫度計進行測量，同樣的也存在差值，這中間與實際存在的差值我們稱之為高斯白噪聲。這時，在擁有溫度計與估測值兩個數(shù)據(jù)的情況下對某時刻的實際溫度進行計算，假定這個時刻是a，那么要先根據(jù)a-1的時刻，因為你覺得溫度是恒定的，所以這一刻和上一刻的估算值是一樣的，假設(shè)都是23℃，這時高斯噪聲偏差值可以這樣計算：在a-1時刻的估算最優(yōu)溫度值偏差是3，自行估算的值偏差為4度，兩項平方再開方，就可以得到此時的高斯噪聲偏差值為5，則此時a時刻有兩個溫度值：23℃和25℃，這是該相信那個數(shù)值，就可以借助用它們的協(xié)方差來判斷。因為ag^2=5^2/（5^2+4^計算2），所以ag=0.78，我們可以估算出a時刻的實際溫度值是：23+0.78*（25-23）=24.56度。通過計算，溫度計的協(xié)方差比較小所以估算出的最優(yōu)溫度值是偏向溫度計的值。在已經(jīng)得到a時刻的最優(yōu)溫度值后，還需繼續(xù)計算a+1時刻的溫度值，進行新的最優(yōu)估算。在進入k+1時刻之前，我們還要算出a時刻那個最優(yōu)值（24.56度）的偏差。算法如下：（（1-ag）*5^2）^0.5=2.35。這里的5就是上面的a時刻你預測的那個23度溫度值的偏差，得出的2.35就是進入a+1時刻以后a時刻估算出的最優(yōu)溫度值的偏差（對應于上面的3），就是這樣，卡爾曼濾波器就不斷的把協(xié)方差遞歸，從而估算出最優(yōu)的溫度值。借助計算機，這些程序步驟運行的非?？臁？梢匝杆俚牡玫揭粋€比較精確的數(shù)值。

4.齒盤測速存在的缺點

齒盤測速有諸多的優(yōu)點，它的較高精度的計算對于水電機組的后續(xù)工作具有重大意義。但與此同時，不可避免的也會存在一些問題，首先，齒盤測速增加了設(shè)備的成本和軟件運行的復雜性。其次，由于齒和齒之間的距離不可能完全的相等，大小也不可能絲毫不差，所以這種不完全均勻性就給高度靈敏的速度傳感器造成了數(shù)據(jù)上的偏差，傳遞了不準確和有干擾的信號。還有一點問題與它的位置有關(guān)，由于比較靠近開關(guān)的位子，所以比較容易被碰擊到而遭受損害。這些方面的改善與齒盤測速的原理也是分不開的，希望相關(guān)研究人員根據(jù)齒盤測速的原理可以進行更好的改進。

5.結(jié)論

由于單傳感器齒盤測速的卡爾曼濾波算法簡便，適合于編程，故具有較強的抗干擾能力，應用該原理制造的水電機組測速裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)試方便，可靠性及可信度高。在實踐中應用單傳感器齒盤測速的卡爾曼濾波算法并安裝雙傳感器，可以實現(xiàn)真正意義上的雙備份齒盤測速。

參考文獻

[1]許軍.以單片機為核心的測頻系統(tǒng)測量誤差[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，1998（5）：35-39.

[2]胡壽松.自動控制原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，1984.

[3]常黎，周建中.一種基于卡爾曼濾波的齒盤測速方法[J].水電能源科學，2001（6）：57-58.