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1、 船舶电站控制系统中的数据融合技术探讨 2005年第5期中国修船21 船舶电站控制系统中的数据融合技术探讨 吴浩峻,孟宪尧,赵殿礼 (大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连116026) 摘要:船舶电站是船舶电力系统的重要组成部分.随着电力电子设备在船舶中的大量应用, 非线性负载的增多,对船舶电站控制的可靠性及故障预防提出了更高的要求.多传感器数据融合 技术是近年发展起来的一门新兴技术,文章根据多传感器数据融合技术的基本思想,采用扩张的 卡尔曼滤波法对电站参数进行冗余数据融合,在船舶电站控制的实时性和可靠性方面取得了较好 的效果. 关键词:船舶电站;数据融合;可靠性 中图分
2、类号:U674文献标识码:C文章编号:1O01—8328(2005)05一O021—03 Abstract:Marinepowerstationisanimportantpartofmarineelectricpowersystem.Withmoreapplication ofelectricandelectronicdevicesonship,moreandmorenonlinearloadstakehigherdemandforreliabilityand faultpreventionofpowerstationcontro1.Muhisensorinformationfusion
3、isakindofnewtechnology.Thispaper analysesredundancydatafusionforpowerstationparameterswithKalmanTheory,improvingtherealtimefunction andreliabilityofmarinepowerstationcontrolsystem. Keywords:marinepowerstation;datafusion;reliability 1概述 目前,对于现代化船舶而言,电站已成为船舶 的最重要组成部分之一,电站运行的可靠性,经济 性及自动化程度对保证船舶的
4、安全运行有重要的意 义.尤其是船舶电站具有特殊的工作环境以及现代 船舶电力系统对电站供电品质和供电连续性的要求 愈来愈高,电站系统的可靠性就显得更加突出. 近年来,多传感器数据融合技术作为一种新颖 的技术已广泛用于处理实际控制系统中的信号综合 处理问题,它对控制系统有4个益处:冗余性,互 补性,实时性和低成本性,从而使系统的可靠性极 大地提高.随着船舶向大型化,高速化,自动化及 智能化方向发展,对船舶电站提出了更高的要求, 这就是船舶电站自动化.实现船舶电站自动化具有 如下优点. (1)维持船舶电力系统供电的连续性和提高 可靠性,增强船舶运行的生命力. (2)提高船
5、舶电站供电质量,使各用电负载 处于良好的工作状态. (3)大大改善船员的劳动条件,减轻值班强 度,使船员能有更多的时间和精力从事设备的维修 工作. (4)减少船员,提高劳动生产率,提高船舶 运行的经济指标. 早在20世纪60年代初期,13本,英国,德国 等国家就开始进行船舶电站单元自动化控制的研 究,代表性的产品有英国的MMF自动并车装置, 13本的XET自动并车和XPT自动负荷分配装置. 20世纪80年代,随着微型计算机的发展和推广应 用,出现了微机的单机控制系统,如丹麦SEMCO 公司的APM电站自动控制系统. 近年来,由于微机网络技术的13趋成熟,国内 外已
6、研制出分布式网络型的电站自动控制系统,如 SEMENS,AEG,DEIF等大公司的产品及我国上海 船研所的CY8802C等.这些系统在各种船舶电站 作者简介:吴浩峻(1971一),男,浙江义乌人,讲师,硕士,主要从事船舶电气自动化研究. 22中国修船2005年第5期 控制中得到了广泛的应用. 船舶电站自动控制系统一般由三大主要子系统 组成,即自动控制子系统,安全保护子系统和自动 监测报警子系统.图1是目前在实船中较多使用的 DEIF公司DELOMATIC(德龙)多功能电站控制 系统结构框图. 口工亡七口口工亡C口口工亡七口口工亡七口口工亡七口 ICP5IIcP1IC
7、P7IICP2ICP6I 田丑丑田丑丑田丑丑田丑丑田丑丑 IIIII .. 44o . V60Hz . TBI .... J』IjI I—l— JJ 一 IDGUIfDGuII,\},\}lDGU5llDGU2l\SGB1—IlGB—IlSGB2ffI8川lf电由由- 自II』l机Il白慰白白船首1轴带I}1『三砸伯茄由村II.l告磊楠 图1DELOMATIC(德龙) 船舶电站由于自身的特点和在船舶上的作用, 设计其控制系统时,除考虑到控制功能的实现外, 特别要重视的是抗干扰能力,可靠性及维护问题. 目前,先进的船舶电站控制系统采用了以微型机为 核心的
8、设计方法,这就使得其功能13趋完善.之所 以能做到这一点,是因为控制系统的功能不仅仅是 靠硬件电路来实现,而是靠硬件和软件相结合,并 且在很大程度上是靠软件来实现的. 但是近年来,随着船舶侧推设备及电力推进技 术的发展,在船舶中越来越多的采用变频设备.由 于变频器中逆变电路的开关特性,对船舶电站而言 相当于形成了一个典型的非线性负载.变频器输出 的电压波形不是正弦波,波形中含有大量的谐波成 分,其中高次谐波会使变频器输出电流增大,造成 电机绕组发热,产生振动和噪声,加速绝缘老化, 还可能损坏电机;同时各种频率的谐波会向空间发 射不同程度的无线电干扰,干扰电子设备的正常运
9、 行,可能导致其它电子设备误动作. 因此,以变频设备为代表的电力电子装置已经 成为船舶电站系统中最主要的谐波源之一,电力电 子装置所产生的谐波污染已成为船舶电站安全运行 的重大障碍.所以如何克服,避免故障率的发生及 扩大显得尤为重要. 多功能电站控制系统结构框图 2数据融合技术的基本原理 数据融合技术是一种对多源信息进行有效融合 处理的新型理论和技术.它于20世纪70年代初在 美国国防部的声纳信号处理系统中最早得到体现, 之后经过几十年的快速发展,至今已被广泛应用在 军事,工业,金融及空中交通管制等领域.所谓的 数据融合(DataFusion)是一种多层次,多方面的
10、 处理过程,通过对多元数据进行检测,结合,相 关,估计和组合以达到精确的状态估计和身份估 计,以及完整,及时的态势评估和威胁评估. 在船舶电站控制系统中,由于谐波等各种干扰 源的存在,利用传感器进行测量时总是不可避免地 存在测量噪声,因此由传感器获得的信息往往是不 完全和不精确的,这必将降低系统控制的可靠性. 数据融合技术中常用多传感器并行处理,即传 感器冗余的方法减小测量噪声的影响,对冗余数据 融合的方法主要包括:加权平均法,卡尔曼滤波 法,贝叶斯估计法等. 3扩张卡尔曼滤波法的冗余数据融合技术 考虑到船舶电站控制系统的非线性,本文采用了 扩张的卡尔曼滤波法进行冗
11、余数据融合,其方法如下. 2005年第5期吴浩峻,孟宪尧等?船舶电站控制系统中的数据融合技术探讨23 不失一般性,一个非线性时变随机系统,其状态模型为: fx(t+1)=(t,(t))+G(t,(t))(t)+T(t)(t) 【Y(t+1)=h(t+1)(t+1)+D(t+1)6(t+1)+e(t+1) 其中:∈R,输入∈R,输出Y∈R,传感器偏差6∈R,非线性函数:R一R,G∈R,h:R一 R.D∈R～,T∈R,系统噪声∈Rp,测量噪声e∈R,是不相关且与X(0)统计独立,此外协方 差函数为: COV[(￡)(￡,)]=Q,COV[e(￡,)e(￡,)]=Q2f, 其中
12、为克罗内克符号函数. 假定:①所有系数矩阵已知;②测量值可连续得到;③递归算法中包括新的的估计算法,并把它 作为新的的测量值. 这里不考虑传感器本身的误差,只考虑测量噪声造成的误差,最优滤波方程为: 叠(t+1lt)=(f(t)叠(tlt)+G(t)U(t), 圣(t+1lt+1)=叠(t+1lt)+W(t+1[Y(t+1)一h(t+1lt),t】, 上式中,是卡尔曼滤波增益,它由下式决定: W(t+1)=P(t+1lt+1)h(t+1)[h(t+1)P(t+1)lt)h(t)+Q2(t)一】P(tlt) =cov{[(t)一叠(tlt)】[(t)一(tlt)】). 递归的
13、初始条件为:(00)=.W(0l0) =Wo. 假定船舶电站控制系统中被测量的状态使用 2个传感器进行反馈,传感器的测量值分别为: 和:,即要估计的状态为:X=+e,=1,2. e是方差的零均值高斯随机变量,融合过 程为: = [妻】=[:]+[】=+e. 根据假定,测量值可连续得到,且初值.= ,当:也可得到时,的最优估计为: =0+[2一0】=0+Poh[^P0h+e】一 =X1+(+i)(X2一X) ::+. 如果采用3个以上的冗余传感器进行数据融 合,效果会更加明显. 4结束语 数据融合技术以其显着的特点和独特的优势, 已经在相当多的领域发挥出明显的
14、作用.在船舶自 动控制领域采用融合技术,已经引起国内外学者的 广泛兴趣,并取得很多积极的成果.本文结合多传 感器数据融合技术的理论,针对船舶电站非线性负 载日益增多的特点,探讨了扩张的卡尔曼滤波法进 行冗余数据融合的方法,并用在船舶电站的控制系 统中,采用该方法后,能够显着的提高系统控制的 实时性和可靠性.由于船舶电站控制的复杂性,本 文所做的探讨仅仅是初步的,要应用到实际船舶上 还需要进行很多实际工作. ,r 2 ,r 2参考文献 方差估计为:,由此可见,融合后比[1]MoJamshidi:Fuzzycontmlofcomplexsystems,softing 任一单独测量值的方v1 差 , 都v2 小,此外,估计中的方[2]c 孟 om 宪 p 尧 uti . ng 数 l 据 (I 融 99 合 7) 技 Sp 术 rin 与 g 船 - V 舶 erl 自 ag动,4 化 2- [ 5 M 6. ].大连海 差提供了确定每个测量值权值的手段,它可以保证事大学出版社,2003. 把最小方差的测量值给出最大权值.收稿日期:2005—01 睡 舱一 :/橡,m 口汽专i专m州扯引嘴 @且
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