冗餘信息處理方法、處理裝置及工程機械的製作方法
2023-08-10 02:27:26
專利名稱：冗餘信息處理方法、處理裝置及工程機械的製作方法
技術領域：
本發明涉及冗餘信息處理方法，特別涉及用於對測量同一對象的同一參數的多個傳感器(以下一些地方將它們簡稱為冗餘傳感器)輸出的測量值的處理方法和處理裝置， 還涉及採用這種處理裝置的工程機械。
背景技術：
在某些控制系統中，當系統的是否正常運行會影響到人身安全或者牽涉較大的經濟效益時，一般會設計冗餘的系統。例如，用兩個或多個傳感器來測量同一個對象的同一個參數，以確定被檢測對象的狀態。在這種冗餘的系統中，對多個傳感器輸出的測量值的處理方法各有不同。通常的做法是通過比較不同傳感器輸出的測量值，如果相同或接近就認為信號有效，不同或差別很大則認為無效將其拋棄。採用這種冗餘信息處理方法，一旦有某一個傳感器出錯就會停止工作，雖然安全性較高，但是容錯性不高，在某些執行特殊任務的場合併不太適用，例如，對於控制精確度要求較高且反應速度較快的場合，可能會對控制效果產生一定的影響。因為某些設備，特別是執行特殊任務的設備，往往停止設備運行會造成巨大損失，此時應給用戶留有可以讓系統「帶病工作」的選擇。
發明內容
本發明旨在提供一種冗餘信息處理方法，以提高系統的容錯性。本發明冗餘信息處理方法，用於對測量同一對象的同一參數的至少兩個傳感器輸出的測量值處理，該方法包括以下步驟分別判斷所述至少兩個傳感器輸出的測量值是否有效；分別對所述至少兩個傳感器輸出的無效測量值計數，根據計數結果識別正常傳感器和故障傳感器；用所述正常傳感器輸出的測量值計算本次測量結果；當所述故障傳感器佔所述至少兩個傳感器的比例達到第一設定值時輸出報警信息，和/或當所述故障傳感器佔所述至少兩個傳感器的比例達到第二設定值時輸出停機控制信號的步驟，所述第二設定值大於所述第一設定值。本發明還提供了一種冗餘信息處理裝置，用於對測量同一對象的同一參數的至少兩個傳感器輸出的測量值處理，該處理裝置包括測量值判斷模塊，用於分別判斷所述至少兩個傳感器輸出的測量值是否有效；
識別模塊，用於分別對所述至少兩個傳感器輸出的無效測量值計數，根據計數結果識別正常傳感器和故障傳感器；結果計算模塊，用所述正常傳感器輸出的測量值計算本次測量結果；以及報警模塊，用於當所述故障傳感器佔所述至少兩個傳感器的比例達到第一設定值時輸出報警信息；和/或安全控制模塊，用於當所述故障傳感器佔所述至少兩個傳感器的比例達到第二設定值時輸出停機控制信號，所述第二設定值大於所述第一設定值。
本發明還提供了一種工程機械，包括由至少兩個傳感器組成的冗餘傳感器，還包括上述冗餘信息處理裝置；本發明冗餘信息處理方法通過引入一種判斷機制，當冗餘傳感器中的個別傳感器出現問題後，能夠使系統繼續工作，從而能夠提高系統的容錯性。
圖1為本發明冗餘信息處理方法的一種應用示意圖。
具體實施例方式為使本領域技術人員更清楚地理解本發明，下面通過實施例做更詳細的說明。本發明冗餘信息處理方法，用於對測量同一對象的同一參數的兩個或多個傳感器輸出的測量值處理。例如圖1示出了本發明冗餘信息處理方法的一種應用。圖中，1表示第一位置傳感器，2表示第二位置傳感器，3表示液壓油缸，4表示活塞。第一位置傳感器1 和第二位置傳感器2組成冗餘傳感器，來實時測量活塞4的位置。在這種應用中，本發明處理方法能夠對第一位置傳感器1輸出的測量值為Xl和第二位置傳感器2輸出的測量值為 X2處理，輸出表徵活塞4當前位置的測量結果X，並且能夠使控制系統帶病工作，提高系統的容錯性。為了便於敘述，以下將組成冗餘傳感器的所有傳感器簡稱為所有傳感器。可以理解地，在一些實施例中，也可以選定其中的部分傳感器組成冗餘傳感器。在一些實施例中，本冗餘信息處理方法包括以下步驟分別判斷所有傳感器輸出的測量值是否有效；分別對所有傳感器輸出的無效測量值計數，根據計數結果識別正常傳感器和故障傳感器；用正常傳感器輸出的測量值計算本次測量結果；當故障傳感器佔所有傳感器的比例達到第一設定值時輸出報警信息。操作人員看到報警信息後可以根據實際需要選擇停機或讓機器繼續帶病工作。為了能夠在提高容錯性能的同時，保障安全。在一些實施例中，該冗餘信息處理方法進一步還包括當故障傳感器佔所有傳感器的比例達到第二設定值時輸出停機控制信號的步驟，其中，第二設定值大於第一設定值。更具體地，可以設計為當全部傳感器均故障時控制自動停機，或者故障率超過設定值時(如70%的傳感器出現故障時)控制自動停機。 可以理解地，在一些實施例中，冗餘信息處理方法也可以僅在當故障傳感器佔所有傳感器的比例達到第一設定值時輸出報警信息；或僅在當故障傳感器佔所有傳感器的比例達到第二設定值時輸出停機控制信號。在一些實施例中，判斷傳感器輸出的測量值是否有效的方法包括下述三個子步驟中的至少一個將待判定的測量值與對應傳感器在本測量應用中的正常測量範圍比較，當超出該測量範圍時判定該待判定的測量值無效的子步驟；計算待判定的測量值相對於對應傳感器在上一測量周期輸出的測量值的變化率， 當變化率超過預置的最大允許變化率時判定該待判定的測量值無效的子步驟；分別計算待判定的測量值相對於其它正常傳感器輸出的測量值的差值的絕對值，當該絕對值超過預置的最大允許差值時判定該待判定的測量值無效的子步驟。最大允許變化率可以是根據被測量對象的工況計算得到的傳感器輸出測量值的最大變化率，例如，在圖1所示應用中，因為液壓油缸的活塞4(即被測量對象)一般是有速度上限的，最大運動速度與控制油路上流量最小的節流裝置相關，通過使活塞4工作在工況允許的最大速度，可以計算出第一位置傳感器1和第二位置傳感器2輸出測量值的最大變化率，將該最大變化率作為最大允許變化率，因為組成冗餘傳感器的各個傳感器為相同規格的傳感器，所以可以只計算其中的一個傳感器輸出測量值的最大變化率，將其作為最大允許變化率，也可以分別計算出每個傳感器輸出測量值的最大變化率，然後取平均值或最小值作為最大允許變化率。此外也可以通過理論計算得到最大允許變化率。最大允許差值可以根據傳感器的測量量程來確定。例如，在圖1所示應用中，假設第一位置傳感器1和第二位置傳感器2的測量量程為X0，可以將作為最大允許差值，其中a為一個正實數，其具體數值可以根據具體應用靈活選擇。可以理解地，最大允許差值也可以根據系統的安全要求來設定。在一些實施例中，分別對所有傳感器輸出的無效測量值計數，根據計數結果識別正常傳感器和故障傳感器的方法包括分別對每個傳感器在每連續m個測量周期內輸出的無效測量值計數獲得對應的第一計數值，當對應的第一計數值與m的比值大於第三設定值時，判定對應的傳感器為故障傳感器的子步驟。例如在圖1所示應用中，可以設計為如果第一位置傳感器1在連續十個測量周期輸出的十個測量值有七個被判定為無效，則判定第一位置傳感器1發生了故障，否則判定第一位置傳感器1正常。同樣，第二位置傳感器2是否故障的判斷方法也如此。在一些實施例中，分別對所有傳感器輸出的無效測量值計數，根據計數結果識別正常傳感器和故障傳感器的方法包括分別對每個傳感器連續輸出的無效測量值計數獲得對應的第二計數值，當對應的第二計數值大於第四設定值時，判定對應的傳感器為故障傳感器的子步驟。例如在圖1所示應用中，可以設計為如果第一位置傳感器1連續五個測量周期輸出的測量值都被判定為無效，則判定第一位置傳感器1發生了故障，否則判定第一位置傳感器1正常。同樣，第二位置傳感器2是否故障的判斷方法也如此。可以理解地，上述兩種判斷傳感器是否故障的方法可以同時使用，當對應的第一計數值與m的比值大於第三設定值時和/或，當對應的第二計數值大於第四設定值時，則判定對應的傳感器為故障傳感器。在一些實施例中，用正常傳感器輸出的測量值計算本次測量結果的方法包括計算正常傳感器輸出的測量值的算術平均值，以該平均值作為本次測量結果的子步驟。可以理解地，並不限於用取算術平均值的方法計算冗餘傳感器的本次測量結果。為了方便計算和管理，如計算上述的變化率時，能夠快速地得到對應傳感器在上一測量周期輸出的測量值，在一些實施例中，給正常傳感器輸出的測量值賦予了時間戳，並存儲。可以理解地，也可以給所有傳感器輸出的測量值均賦予時間戳，並存儲，同時為測量值賦予有效或無效的標識。可以理解地，除了給測量值賦予時間戳的方式外，還有其它的方式可以在計算上述的變化率時，能夠快速地得到對應傳感器在上一測量周期輸出的測量值，例如，通過對測量值分類順序存儲，或者採用FIFO(先進先出)數組來存儲測量值也可以實現，等等還有其它的方式也可以實現。
本發明還提供了一種冗餘信息處理裝置，用於對測量同一對象的同一參數的所有傳感器輸出的測量值處理。在一些實施例中，冗餘信息處理裝置包括測量值判斷模塊、識別模塊、結果計算模塊和報警模塊，測量值判斷模塊用於分別判斷所有傳感器輸出的測量值是否有效；識別模塊用於分別對所有傳感器輸出的無效測量值計數，根據計數結果識別正常傳感器和故障傳感器；結果計算模塊用正常傳感器輸出的測量值計算本次測量結果；報警模塊用於當故障傳感器佔所有傳感器的比例達到第一設定值時輸出報警信息。為了能夠在提高容錯性能的同時，保障安全。在一些實施例中，冗餘信息處理裝置進一步還包括安全控制模塊，用於當故障傳感器佔所有傳感器的比例達到第二設定值時輸出停機控制信號，其中，第二設定值大於第一設定值。在一些實施例中，測量值判斷模塊進一步包括第一比較子模塊、第二比較子模塊和第三比較子模塊中的至少一個，第一比較子模塊用於將待判定的測量值與對應傳感器在本測量應用中的正常測量範圍比較，當超出該測量範圍時判定該待判定的測量值無效；第二比較子模塊用於計算待判定的測量值相對於對應傳感器在上一測量周期輸出的測量值的變化率，當變化率超過預置的最大允許變化率時判定該待判定的測量值無效；第三比較子模塊用於分別計算待判定的測量值相對於其它正常傳感器輸出的測量值的差值的絕對值，當該絕對值超過預置的最大允許差值時判定該待判定的測量值無效。在一些實施例中，識別模塊進一步包括第一識別子模塊，用於分別對每個傳感器在每連續m個測量周期內輸出的無效測量值計數獲得對應的第一計數值，當對應的第一計數值與m的比值大於第三設定值時，判定對應的傳感器為故障傳感器。在一些實施例中，識別模塊進一步包括第二識別子模塊，用於分別對每個傳感器連續輸出的無效測量值計數獲得對應的第二計數值，當對應的第二計數值大於第四設定值時，判定對應的傳感器為故障傳感器。在一些實施例中，識別模塊可以同時包括上述第一識別子模塊和第二識別子模塊。在一些實施例中，結果計算模塊進一步包括平均值計算子模塊，用於計算正常傳感器輸出的測量值的算術平均值，以該平均值作為本次測量結果。在一些實施例中，冗餘信息處理裝置進一步還包括時間戳賦予模塊，用於給正常傳感器輸出的測量值賦予時間戳。可以理解地，在一些控制系統中，可能採用兩個、三個或更多的傳感器組成冗餘傳感器來測量某一對象的某一參數，這些應用中，均可以採用上述冗餘信息處理裝置或冗餘信息處理方法進行處理，達到提高容錯性的目的。本領域技術人員也可以理解，本發明冗餘信息處理裝置和冗餘信息處理方法並不受傳感器的種類限制，可以適用於所有被測量對象的實測信號變化有一定緩衝階段(或者說測量值變化率的坡度較小，非瞬間變化)的系統。可以理解地，可以將上述任意實施例的冗餘信息處理裝置和冗餘信息處理方法應用於工程機械，對工程機械中使用的冗餘傳感器輸出的測量值進行處理。以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種冗餘信息處理方法，用於對測量同一對象的同一參數的至少兩個傳感器輸出的測量值處理，該方法包括以下步驟分別判斷所述至少兩個傳感器輸出的測量值是否有效；分別對所述至少兩個傳感器輸出的無效測量值計數，根據計數結果識別正常傳感器和故障傳感器；用所述正常傳感器輸出的測量值計算本次測量結果；當所述故障傳感器佔所述至少兩個傳感器的比例達到第一設定值時輸出報警信息，和 /或當所述故障傳感器佔所述至少兩個傳感器的比例達到第二設定值時輸出停機控制信號，所述第二設定值大於所述第一設定值。
2.根據權利要求1所述的處理方法，其特徵在於，判斷傳感器輸出的測量值是否有效的方法包括下述三個子步驟中的至少一個將待判定的測量值與對應傳感器在本測量應用中的正常測量範圍比較，當超出該測量範圍時判定該待判定的測量值無效的子步驟；計算待判定的測量值相對於對應傳感器在上一測量周期輸出的測量值的變化率，當變化率超過預置的最大允許變化率時判定該待判定的測量值無效的子步驟；分別計算待判定的測量值相對於其它正常傳感器輸出的測量值的差值的絕對值，當該絕對值超過預置的最大允許差值時判定該待判定的測量值無效的子步驟。
3.根據權利要求1所述的控制方法，其特徵在於，分別對所述至少兩個傳感器輸出的無效測量值計數，根據計數結果識別正常傳感器和故障傳感器的方法包括分別對每個傳感器在每連續m個測量周期內輸出的無效測量值計數獲得對應的第一計數值，當對應的第一計數值與m的比值大於第三設定值時，判定對應的傳感器為故障傳感器的子步驟。
4.根據權利要求1或3所述的控制方法，其特徵在於，分別對所述至少兩個傳感器輸出的無效測量值計數，根據計數結果識別正常傳感器和故障傳感器的方法包括分別對每個傳感器連續輸出的無效測量值計數獲得對應的第二計數值，當對應的第二計數值大於第四設定值時，判定對應的傳感器為故障傳感器的子步驟。
5.根據權利要求1所述的處理方法，其特徵在於，用所述正常傳感器輸出的測量值計算本次測量結果的方法包括計算所述正常傳感器輸出的測量值的算術平均值，以該平均值作為本次測量結果的子步驟。
6.根據權利要求1所述的處理方法，其特徵在於，還包括給所述正常傳感器輸出的測量值賦予時間戳的步驟。
7.—種冗餘信息處理裝置，用於對測量同一對象的同一參數的至少兩個傳感器輸出的測量值處理，該處理裝置包括測量值判斷模塊，用於分別判斷所述至少兩個傳感器輸出的測量值是否有效；識別模塊，用於分別對所述至少兩個傳感器輸出的無效測量值計數，根據計數結果識別正常傳感器和故障傳感器；結果計算模塊，用所述正常傳感器輸出的測量值計算本次測量結果；以及報警模塊，用於當所述故障傳感器佔所述至少兩個傳感器的比例達到第一設定值時輸出報警信息；和/或安全控制模塊，用於當所述故障傳感器佔所述至少兩個傳感器的比例達到第二設定值時輸出停機控制信號，所述第二設定值大於所述第一設定值。
8.根據權利要求7所述的處理裝置，其特徵在於，所述測量值判斷模塊進一步包括下述三個子模塊中的至少一個第一比較子模塊，用於將待判定的測量值與對應傳感器在本測量應用中的正常測量範圍比較，當超出該測量範圍時判定該待判定的測量值無效；第二比較子模塊，用於計算待判定的測量值相對於對應傳感器在上一測量周期輸出的測量值的變化率，當變化率超過預置的最大允許變化率時判定該待判定的測量值無效；以及第三比較子模塊，用於分別計算待判定的測量值相對於其它正常傳感器輸出的測量值的差值的絕對值，當該絕對值超過預置的最大允許差值時判定該待判定的測量值無效。
9.根據權利要求7所述的處理裝置，其特徵在於所述識別模塊進一步包括第一識別子模塊，用於分別對每個傳感器在每連續m個測量周期內輸出的無效測量值計數獲得對應的第一計數值，當對應的第一計數值與m的比值大於第三設定值時，判定對應的傳感器為故障傳感器。
10.根據權利要求7或9所述的處理裝置，其特徵在於所述識別模塊進一步包括第二識別子模塊，用於分別對每個傳感器連續輸出的無效測量值計數獲得對應的第二計數值， 當對應的第二計數值大於第四設定值時，判定對應的傳感器為故障傳感器。
11.根據權利要求7所述的處理裝置，其特徵在於結果計算模塊進一步包括平均值計算子模塊，用於計算所述正常傳感器輸出的測量值的算術平均值，以該平均值作為本次測量結果。
12.根據權利要求7所述的處理裝置，其特徵在於進一步還包括時間戳賦予模塊，用於給所述正常傳感器輸出的測量值賦予時間戳。
13.—種工程機械，包括由至少兩個傳感器組成的冗餘傳感器，其特徵在於還包括權利要求7-12任意一項所述的處理裝置。
全文摘要
本發明提供了一種冗餘信息處理方法，用於對測量同一對象的同一參數的至少兩個傳感器輸出的測量值處理，包括以下步驟分別判斷所述至少兩個傳感器輸出的測量值是否有效；分別對所述至少兩個傳感器輸出的無效測量值計數，根據計數結果識別正常傳感器和故障傳感器；用所述正常傳感器輸出的測量值計算本次測量結果；當所述故障傳感器佔所述至少兩個傳感器的比例達到第一設定值時輸出報警信息；和/或當所述故障傳感器佔所述至少兩個傳感器的比例達到第二設定值時輸出停機控制信號，所述第二設定值大於所述第一設定值。本發明還涉及冗餘信息處理裝置及採用上述處理裝置的工程機械。本發明方法和裝置能夠提高系統的容錯性。
文檔編號G05B19/048GK102566477SQ20121000086
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月4日 優先權日2012年1月4日
發明者劉召華, 熊憶 申請人:長沙中聯消防機械有限公司