船舶动力定位容错控制方法研究

论文摘要

随着人们日益重视对深海的探索和开发，深海装备飞速发展，对船舶动力定位(Dynamic Positioning，DP)系统的依赖性日益提高，使其得到了更广泛的应用，随之而来，对其安全性和可靠性提出了更高的要求，不但要求船舶在进行正常动力定位作业的过程中满足控制性能要求，而且对于某些特殊作业，在出现可接受的故障之后要求仍然能够继续完成作业，甚至满足降低的性能指标，或至少在一定时间内不会发生重大事故。容错控制可提高系统的安全性和可靠性，因此对船舶动力定位进行容错控制是必要的。目前高等级的船舶动力定位系统皆具有物理冗余和解析冗余。在动力定位系统已具备一定物理冗余度的前提下，通过解析冗余充分利用已有冗余关系来实现船舶动力定位的容错控制，可保证船舶在故障情况下仍能持续动力定位作业，同时应尽可能保持原控制器的控制性能和船舶的定位能力，因此研究基于解析冗余的容错控制方法对于船舶动力定位的容错控制具有十分重要的理论和工程意义。本文围绕此前沿性课题，对船舶动力定位作业过程中传感器和推进器故障的诊断方法，以及传感器和推进器故障船舶的动力定位容错控制方法展开了深入研究，提出了基于有向图和支持向量机（Support Vector Machine，SVM）的故障诊断方法，以及基于鲁棒滑模虚拟传感器和鲁棒自适应滑模虚拟执行器的容错控制方法。本文主要完成了以下研究内容：为了对可能发生的故障进行及时诊断，并对故障船舶进行容错控制，同时，真实反映船舶在容错过程中对环境干扰及控制输入的响应特性，根据国内外已公开发表的文献资料，建立了3自由度船舶运动学和动力学模型，环境载荷模型以及推进系统模型，给出了可用于验证容错控制方法的试验船数学模型。为了实现船舶动力定位的传感器故障诊断，利用二叉树分类法将多种故障类型的多分类问题转换为多个二分类问题进行分类，利用差值法对样本数据进行特征提取，将提取后的特征向量作为支持向量机输入，实现故障诊断。仿真结果验证了所提方法可快速、准确、有效地实现传感器故障的检测和隔离。为了实现船舶动力定位的推进器故障诊断，利用有向图相关理论中求解系统结构图的最大匹配算法，得到动力定位船舶及其推进系统中变量与约束间的完全匹配，根据得到的匹配，针对每个推进器的螺距控制和转速控制约束，设计可用于故障诊断的解析冗余关系。提出基于有向图和支持向量机的故障诊断方法，将得到的冗余关系的残差值经过处理后输入支持向量机，使得阈值根据支持向量机学习的结果变化，降低了故障诊断中漏报和误报的概率，在保证了诊断结果完备性的同时，大大提升了故障诊断的分辨率。为了进行传感器故障情况下的船舶动力定位容错控制，提出一种基于滑模观测器和虚拟传感器技术的控制重构策略。设计了虚拟传感器来跟踪故障船舶的运行状态，虚拟传感器的作用等同于故障传感器，通过虚拟传感器的状态来重构故障后的船舶控制回路。结合滑模观测器解决船舶动力定位系统中存在的模型非线性、建模误差、扰动和参数不确定等问题，设计了一种鲁棒滑模虚拟传感器来改善虚拟传感器的适用范围。仿真结果表明所设计的方法可以较好地完成传感器故障的船舶动力定位容错控制。为了进行推进器故障情况下的船舶动力定位容错控制，提出一种基于滑模变结构控制、自适应控制和虚拟执行器技术的控制重构策略。在故障船舶与标称控制器之间设计虚拟执行器来重构船舶，虚拟执行器的作用与故障执行器一致，使得重构后的船舶输出仍然保持正常船舶的输出特征，而无需进行标称控制器的重新调整和重构。结合滑模变结构控制和自适应控制技术解决船舶动力定位系统中存在的模型非线性、建模误差、扰动和参数不确定、不确定项上界未知等问题，设计了一种鲁棒自适应滑模虚拟执行器改善虚拟执行器的适用范围和控制性能。仿真结果表明所设计的方法可以较好地完成推进器故障的船舶动力定位容错控制。本文在物理冗余的基础上，通过解析冗余实现了船舶动力定位的故障诊断和容错控制，从软件层面提高了船舶动力定位的可靠性和安全性，与物理冗余相比提供了更加切实有力的保障。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 故障诊断与容错控制
• 1.2.1 故障诊断
• 1.2.2 容错控制
• 1.3 船舶动力定位容错控制研究现状
• 1.4 课题研究的难点
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第2章 动力定位船舶数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 船舶运动学模型
• 2.2.1 坐标系
• 2.2.2 三自由度水平面运动学模型
• 2.3 船舶动力学模型
• 2.3.1 低频运动模型
• 2.3.2 环境载荷模型
• 2.3.3 高频运动模型
• 2.3.4 测量系统模型
• 2.4 推进控制
• 2.4.1 推力分配
• 2.4.2 螺旋桨计算模型
• 2.4.3 螺旋桨螺距控制系统
• 2.4.4 螺旋桨转速控制系统
• 2.5 用于仿真验证的船舶模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于支持向量机的船舶动力定位传感器故障诊断方法
• 3.1 引言
• 3.2 支持向量机分类原理
• 3.2.1 线性支持向量机分类
• 3.2.2 非线性支持向量机分类
• 3.3 基于支持向量机的船舶动力定位传感器故障诊断
• 3.3.1 传感器故障类型
• 3.3.2 基于支持向量机的船舶动力定位传感器故障诊断设计
• 3.4 仿真试验
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于有向图和支持向量机的船舶动力定位推进器故障诊断方法
• 4.1 引言
• 4.2 基于系统结构的故障诊断问题描述
• 4.2.1 系统结构模型
• 4.2.2 匹配
• 4.2.3 解析冗余关系
• 4.3 基于有向图和支持向量机的故障诊断设计
• 4.4 基于有向图和支持向量机的船舶动力定位推进器故障诊断
• 4.4.1 推进器故障类型
• 4.4.2 基于有向图和支持向量机的船舶动力定位推进器故障诊断设计
• 4.5 仿真试验
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于鲁棒滑模虚拟传感器的船舶动力定位容错控制方法
• 5.1 引言
• 5.2 重构问题描述
• 5.3 虚拟传感器重构设计
• 5.3.1 传感器故障重构原理
• 5.3.2 虚拟传感器设计
• 5.3.3 虚拟传感器重构算法
• 5.4 鲁棒滑模虚拟传感器设计
• 5.4.1 鲁棒滑模虚拟传感器设计
• 5.4.2 稳定性分析
• 5.5 基于鲁棒滑模虚拟传感器的船舶动力定位容错控制设计
• 5.6 仿真试验
• 5.7 本章小结
• 第6章 基于鲁棒自适应滑模虚拟执行器的船舶动力定位容错控制方法
• 6.1 引言
• 6.2 虚拟执行器重构设计
• 6.2.1 执行器故障重构原理
• 6.2.2 虚拟执行器设计
• 6.2.3 虚拟执行器重构算法
• 6.3 鲁棒自适应滑模虚拟执行器设计
• 6.3.1 鲁棒自适应滑模虚拟执行器设计
• 6.3.2 稳定性分析
• 6.4 基于鲁棒自适应滑模虚拟执行器的船舶动力定位容错控制设计
• 6.5 仿真试验
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢