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故障诊断与容错技术及其在组合导航系统中的应用研究

钱华明  
【摘要】:故障诊断与容错控制技术是一门应用型边缘学科,它的理论基础涉及现代控制理论、计算机工程、数理统计、信号处理、模式识别、人工智能以及相应的应用学科,它的出现、兴起与迅速发展,是实际应用需求与多学科理论发展两个方面交替作用的结果。随着现代自动化技术水平的不断提高,各类工程系统的复杂性大大增加,系统的可靠性与安全性已引起社会各界广泛高度的重视。因此,开展故障诊断与容错控制技术的研究,切实保障现代复杂系统的可靠性与安全性,具有十分重要的意义。 目前电子战和导航技术的发展使舰船导航系统的结构和任务需求日益复杂,对其控制精度和稳定度的要求也越来越高,而容错控制及故障检测与诊断为提高导航系统的可靠性、可维性和有效性开辟了一条新途径,成为当今导航领域的一个研究重点。本文从研究系统的可靠性为出发点,对组合导航系统故障诊断和容错控制进行了深入的研究。 系统地介绍了故障诊断的内容及方法和容错设计方法;并针对舰船综合导航系统,对目前国内外应用故障诊断和容错技术进行设计的几种典型的综合导航系统进行了分析研究。 组合导航系统故障检测通常采用基于卡尔曼滤波器的设计方法,其检测性能主要取决于残差对故障的敏感度。本文对x~2检验法进行了研究,提出了基于双状态x~2检验法的故障诊断策略,并用计算机仿真进行了验证其有效性。同时还针对系统野值存在情况下如何进行故障检测、诊断和隔离的方法进行了研究,给出了野值剔除方法。 对小波变换进行了研究,在分析调频高斯小波特性的基础上,提出了一种基于调频高斯小波变换的组合导航系统多传感器故障诊断算法,该算法仅利用传感器的观测量来直接诊断传感器的工作是否正常,对方差突变等软故障能够进行有效的在线检测。 故障诊断是容错控制的基础和准备,本文通过对目前综导系统的工作现状分析研究,提出了综合导航系统容错总体方案及其设计,主要有:系统信息网络化,以网络通信为主、串口通信为辅进行信息冗余设计,导航系统内 哈尔滨工程大学博士学位论文 亩面亩亩亩亩亩亩亩亩亩亩亩亩亩亩 采用1553B总线网络,系统之间采用以太网进行通信;在局域网中,1553B 总线网络采用主从方式的双总线控制器(BC),以太网采用具有容错的双网 双冗余结构,进一步提高了系统可靠性;系统采用大模块级+双口RAM冗余 方式,并就双机通讯及输出接口进行了设计,给出了双口RAM+双机仲裁模 块的实现方案;通过对软件容错技术及其设计过程的分析,将综导系统软件 分成四大任务模块,给出软件系统层次化和模块化的功能层次结构,并对系 统任务模块的调度方式进行了设计:对综导系统故障进行了分类,分析故障 产生的机理,提出了基于特征矩阵的主存故障检测、1553B数据总线网的故 障检测与冗余、以太网故障检测与冗余、串口的故障检测的具体实现方法。 本课题是致力于舰船组合导航系统的故障诊断和容错技术的研究,其目 的是为了提高舰船导航系统的可靠性,保证舰船航行安全,满足现代化战争 的需求。


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