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大型船舶航向/航迹智能容错控制研究

李高云  
【摘要】:随着科学技术的飞速发展,现代化的工程系统正朝着大规模、复杂化的方向发展,可靠性已成为关键评价指标。如何保障系统高效、安全、可靠的运行,成为人们迫切需要研究和解决的重要问题。大型船舶采取四桨-两舵方式配置,使其螺旋桨和舵在功能上具备了冗余度,对大型船舶航向/航迹容错控制研究提供了功能冗余的基础条件。针对实际工程中单纯的鲁棒容错控制很难提高控制精度,而单纯的重构容错控制又受到故障诊断子系统时滞性的制约,本文首次提出了船舶航向/航迹分步容错控制的思想,将鲁棒容错控制、故障诊断技术和重构容错控制有机的结合起来,优势互补、集成智能容错控制系统,在提高容错控制性能的同时能够降低系统实现难度。 首先,简略阐述课题相关理论的发展现状以及大型船舶的需求,介绍论文的整个思路框架和研究内容。抓住船舶运动数学建模研究是进行船舶控制和仿真研究的基础和核心。分析大型船舶的操纵性特点,详细地推导给出船舶水平面非线性运动仿真模型和线性简化控制模型,并给出船体水动力参数的计算公式。同时,对船体总阻力模型、螺旋桨推力模型、舵力与力矩模型和舵伺服系统仿真模型展开研究,给出海洋环境随机干扰力与力矩的仿真模型,旨在尽可能精确的模拟船舶的海上航行运动姿态,为容错控制策略的设计与验证提供仿真平台。 其次,根据故障机理分析建立故障树,分解出故障树最小割集,用于甄别所有可能的失效模式和薄弱环节。研究故障树生成样本集方法,设计模糊神经网络故障诊断器结构,基于改进的FNN-BP学习算法训练样本,逼近故障的分类边界,从而完成特征空间到故障空间的多对多非线性映射。仿真验证所设计智能故障诊断器的诊断精度及泛化能力,为容错控制律重构提供故障信息支撑。 再次,研究基于解析冗余的容错控制理论,包括鲁棒容错控制和重构容错控制。针对船舶运动具有的不确定、非线性、参数时变等特性,采用H_2 /H_∞鲁棒控制设计正常工况控制器。提出了传感器和执行器统一数学故障建模方法,鉴于螺旋桨四种故障工况下系统控制模型差异较大,分别基于Lyapunov渐近稳定性理论和Riccati方程,推导证明基于状态观测器的船舶航向鲁棒容错控制设计方法,并设计鲁棒容错策略以供对应工况切换调度。研究传感器回路补偿容错控制方法,对传感器重构策略深入研究,提出遗传算法优化重构参数的方法,引入惩罚因子以保证系统重构后的动态性能。对于执行器伪逆法重构,证明系统执行器重构可行性的条件,并设计系统重构控制器。 然后,阐述本文首次提出的分步容错控制思想。正常工况采用H_2 /H_∞鲁棒控制解决大型船舶参数不确定、理论建模误差、随机干扰等问题;故障初期采用基于Lyapunov的鲁棒容错控制,保证系统的状态有界,为智能故障诊断系统赢取处理时间;故障信息诊断、分离完成以后,依据诊断信息重构控制律,进一步提高了系统的容错控制性能。并给出大型船舶航向/航迹容错控制的设计方案和算法设计流程图。 最后,对大型船舶航向/航迹智能容错控制系统进行仿真研究,对比分析本文容错控制策略设计的有效性。分别对正常工况下的大型船舶航向/航迹常规PID控制和H_2 /H_∞鲁棒控制系统,以及四种不同故障工况下基于Lyapunov的鲁棒容错控制系统和大型船舶航向/航迹智能容错控制系统进行了仿真研究。仿真表明,采用H_2 /H_∞鲁棒控制策略取得了较好的控制效果,航向均方差STD (ψ)值平均减小了约8.9%,舵角均方差STD (δ)值平均减小了约14.6%,其中在艏斜浪浪向角下船舶航向/航迹控制能力更好。大型船舶航向/航迹智能容错控制效果比常规PID控制效果有了明显的提高,航向角均方根STD (ψ)值平均降低了6.8%,舵角均方根STD (δ)值平均降低了16.2%,证实分步容错控制策略能够取得更好的容错控制效果。论文结尾全面总结了大型船舶航向/航迹智能容错控制系统分析和综合的方法。


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