船舶動(dòng)力定位容錯(cuò)控制方法研究.pdf

1、隨著人們?nèi)找嬷匾晫?duì)深海的探索和開發(fā),深海裝備飛速發(fā)展,對(duì)船舶動(dòng)力定位(DynamicPositioning,DP)系統(tǒng)的依賴性日益提高,使其得到了更廣泛的應(yīng)用,隨之而來,對(duì)其安全性和可靠性提出了更高的要求,不但要求船舶在進(jìn)行正常動(dòng)力定位作業(yè)的過程中滿足控制性能要求,而且對(duì)于某些特殊作業(yè),在出現(xiàn)可接受的故障之后要求仍然能夠繼續(xù)完成作業(yè),甚至滿足降低的性能指標(biāo),或至少在一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生重大事故。容錯(cuò)控制可提高系統(tǒng)的安全性和可靠性,因此對(duì)船

2、舶動(dòng)力定位進(jìn)行容錯(cuò)控制是必要的。
　　目前高等級(jí)的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)皆具有物理冗余和解析冗余。在動(dòng)力定位系統(tǒng)已具備一定物理冗余度的前提下,通過解析冗余充分利用已有冗余關(guān)系來實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力定位的容錯(cuò)控制,可保證船舶在故障情況下仍能持續(xù)動(dòng)力定位作業(yè),同時(shí)應(yīng)盡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錯(cuò)控制方法對(duì)于船舶動(dòng)力定位的容錯(cuò)控制具有十分重要的理論和工程意義。
　　本文圍繞此前沿性課題,對(duì)船舶動(dòng)力定位作

3、業(yè)過程中傳感器和推進(jìn)器故障的診斷方法,以及傳感器和推進(jìn)器故障船舶的動(dòng)力定位容錯(cuò)控制方法展開了深入研究,提出了基于有向圖和支持向量機(jī)(SupportVectorMachine,SVM)的故障診斷方法,以及基于魯棒滑模虛擬傳感器和魯棒自適應(yīng)滑模虛擬執(zhí)行器的容錯(cuò)控制方法。
　　本文主要完成了以下研究內(nèi)容:
　　為了對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行及時(shí)診斷,并對(duì)故障船舶進(jìn)行容錯(cuò)控制,同時(shí),真實(shí)反映船舶在容錯(cuò)過程中對(duì)環(huán)境干擾及控制輸入的響應(yīng)特性,

4、根據(jù)國內(nèi)外已公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料,建立了3自由度船舶運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型,環(huán)境載荷模型以及推進(jìn)系統(tǒng)模型,給出了可用于驗(yàn)證容錯(cuò)控制方法的試驗(yàn)船數(shù)學(xué)模型。
　　為了實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力定位的傳感器故障診斷,利用二叉樹分類法將多種故障類型的多分類問題轉(zhuǎn)換為多個(gè)二分類問題進(jìn)行分類,利用差值法對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取,將提取后的特征向量作為支持向量機(jī)輸入,實(shí)現(xiàn)故障診斷。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法可快速、準(zhǔn)確、有效地實(shí)現(xiàn)傳感器故障的檢測和隔離。
　　為了

5、實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力定位的推進(jìn)器故障診斷,利用有向圖相關(guān)理論中求解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的最大匹配算法,得到動(dòng)力定位船舶及其推進(jìn)系統(tǒng)中變量與約束間的完全匹配,根據(jù)得到的匹配,針對(duì)每個(gè)推進(jìn)器的螺距控制和轉(zhuǎn)速控制約束,設(shè)計(jì)可用于故障診斷的解析冗余關(guān)系。提出基于有向圖和支持向量機(jī)的故障診斷方法,將得到的冗余關(guān)系的殘差值經(jīng)過處理后輸入支持向量機(jī),使得閾值根據(jù)支持向量機(jī)學(xué)習(xí)的結(jié)果變化,降低了故障診斷中漏報(bào)和誤報(bào)的概率,在保證了診斷結(jié)果完備性的同時(shí),大大提升了故障診斷

6、的分辨率。
　　為了進(jìn)行傳感器故障情況下的船舶動(dòng)力定位容錯(cuò)控制,提出一種基于滑模觀測器和虛擬傳感器技術(shù)的控制重構(gòu)策略。設(shè)計(jì)了虛擬傳感器來跟蹤故障船舶的運(yùn)行狀態(tài),虛擬傳感器的作用等同于故障傳感器,通過虛擬傳感器的狀態(tài)來重構(gòu)故障后的船舶控制回路。結(jié)合滑模觀測器解決船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)中存在的模型非線性、建模誤差、擾動(dòng)和參數(shù)不確定等問題,設(shè)計(jì)了一種魯棒滑模虛擬傳感器來改善虛擬傳感器的適用范圍。仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的方法可以較好地完成傳感器故障

7、的船舶動(dòng)力定位容錯(cuò)控制。
　　為了進(jìn)行推進(jìn)器故障情況下的船舶動(dòng)力定位容錯(cuò)控制,提出一種基于滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制和虛擬執(zhí)行器技術(shù)的控制重構(gòu)策略。在故障船舶與標(biāo)稱控制器之間設(shè)計(jì)虛擬執(zhí)行器來重構(gòu)船舶,虛擬執(zhí)行器的作用與故障執(zhí)行器一致,使得重構(gòu)后的船舶輸出仍然保持正常船舶的輸出特征,而無需進(jìn)行標(biāo)稱控制器的重新調(diào)整和重構(gòu)。結(jié)合滑模變結(jié)構(gòu)控制和自適應(yīng)控制技術(shù)解決船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)中存在的模型非線性、建模誤差、擾動(dòng)和參數(shù)不確定、不確定項(xiàng)上界