传感器失效船舶定位控制重构容错方法研究

【摘要】：动力定位船舶大多从事危险性较高的海洋工程作业，其对定位的精确性和控制稳定性有着非常高的要求，传感器作为最重要的获取信息的装置，一旦传感器发生故障，将会给控制系统后续的监测、控制产生严重的影响，因此如何在传感器发生故障或失效的情况下使动力定位船舶能够达到或接近预期的控制目标而避免发生海上事故成为一个重要的研究课题。本文在容错控制理论的基础上，针对船舶定位过程的传感器故障，提出了基于数据分析的SVM传感器故障诊断方法及控制重构容错控制方法。 用于故障诊断的方法有很多，本文主要利用软件的方法在无传感器硬件冗余的情况下进行传感器的故障诊断。本文采用支持向量机方法进行传感器的故障诊断，针对传感器的故障类型，利用二叉树方法将多分类问题转换为多个二分类的问题，简化了多分类SVM设计的复杂性。在数据特征提取上，先利用差值法对样本数据进行处理，再在处理后的数据中提取特征，这种处理方法强化了数据特征，提升了诊断准确率。本文采用船舶定位过程的传感器故障数据，在matlab环境下对采用的SVM传感器故障诊断方法进行了仿真验证，仿真结果验证了方法的有效性。 本文采用的容错方法为控制重构容错方法，即是一种主动容错控制方法。重构问题的解决方法试图对控制环路做最小的改变，使标称控制器在控制环中保持不变，这种控制策略避免了控制器本身的重新设计，降低了设计的复杂度。针对船舶控制的特点，本文将鲁棒滑模观测器与虚拟传感器相结合，设计了基于鲁棒滑模观测器的虚拟传感器，提升了容错的性能。 最后本文将传感器故障诊断模块与虚拟传感器部分相结合，构成了一个完整的容错控制系统。利用建立的船舶运动模型和环境干扰模型，对船舶定位过程中的艏向传感器故障和DGPS故障进行了仿真分析，主要包括传感器无故障、传感器发生冲击故障、传感器发生偏差故障以及传感器发生输出恒定值故障等情况下的容错控制仿真，仿真结果验证了控制重构容错方法对船舶定位过程的传感器故障具有一定的容错能力。综上，本文提出利用支持向量机故障诊断方法和控制重构容错方法是切实可行的，提升了船舶控制系统的容错性，保证了船舶定位过程的安全，为及时处理故障争取了时间，具有理论和实际意义。