無(wú)人水下航行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障診斷與容錯(cuò)控制研究.pdf

1、海洋蘊(yùn)藏著大量人類(lèi)社會(huì)發(fā)展所需卻難以開(kāi)采的自然資源，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類(lèi)對(duì)海洋的探索與開(kāi)發(fā)日新月著。水下航行器作為人類(lèi)進(jìn)軍海洋的主要工具之一，受復(fù)雜海洋環(huán)境的影響，其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能發(fā)生各種故障，使得人員與設(shè)備的安全受到威脅。在面臨故障時(shí)水下航行器所采取的故障診斷和容錯(cuò)控制措施，對(duì)提高人員和設(shè)備的安全保障具有重要意義。
　　國(guó)內(nèi)外開(kāi)展水下航行器的故障診斷與容錯(cuò)控制研究已逾二十年，而較為系統(tǒng)解決執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障問(wèn)題的研究

2、方案尚少。鑒于此，本文開(kāi)展常見(jiàn)回轉(zhuǎn)體式和框體式無(wú)人水下航行器（UUV)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障診斷與容錯(cuò)控制研究，分別就UUV運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)線(xiàn)性與非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)模型的故障估計(jì)與檢測(cè)、回轉(zhuǎn)體式和框體式UUV運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障定位與辨識(shí)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障但仍可控時(shí)的故障調(diào)節(jié)主動(dòng)容錯(cuò)控制以及故障執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在冗余時(shí)的控制重構(gòu)主動(dòng)容錯(cuò)控制等問(wèn)題進(jìn)行深入的研究，提出相應(yīng)的算法并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　(1)研究模型控制輸入的故障

3、估計(jì)與檢測(cè)問(wèn)題。首先，從UUV運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的線(xiàn)性與非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)模型著手，設(shè)計(jì)加性和乘性故障描述因子以表征模型控制輸入因執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障而發(fā)生的改變；并先后采用濾波估計(jì)算法、線(xiàn)性觀測(cè)估計(jì)算法和連續(xù)-離散無(wú)跡卡爾曼濾波估計(jì)算法，通過(guò)濾波器或者觀測(cè)器實(shí)時(shí)獲得線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)模型、狀態(tài)全部可知以及部分可知的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)模型的故障描述因子估計(jì)。然后，結(jié)合故障描述因子的估計(jì)，設(shè)計(jì)故障檢測(cè)函數(shù)，實(shí)時(shí)對(duì)比檢測(cè)函數(shù)值與故障閾值實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)。最后，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模

4、型控制輸入故障估計(jì)與檢測(cè)算法的有效性。
　　(2)研究回轉(zhuǎn)體式UUV執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障定位與辨識(shí)問(wèn)題。針對(duì)回轉(zhuǎn)體式UUV姿態(tài)控制與動(dòng)力推進(jìn)兩個(gè)子系統(tǒng)的舵面、舵機(jī)、螺旋槳和推進(jìn)電機(jī)等機(jī)構(gòu)，基于模型控制輸入的故障估計(jì)與檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合傳感器量測(cè)數(shù)據(jù)分析控制輸入方程，在排除其它執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障的前提下，定位出當(dāng)前執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障，并通過(guò)解控制輸入方程進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)故障辨識(shí)。根據(jù)分析結(jié)果，采用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證舵面形變故障定位方法的有效性。
　　(3)研

5、究框體式UUV執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障定位與辨識(shí)問(wèn)題。針對(duì)框體式UUV通常配置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)—推進(jìn)器，通過(guò)分析控制矩陣提出推進(jìn)器的冗余關(guān)系分析算法，并給出框體式UUV故障推進(jìn)器定位與辨識(shí)的前提；基于模型控制輸入的故障估計(jì)與檢測(cè)結(jié)果，分別研究?jī)H配置標(biāo)量推進(jìn)器與配置有矢量推進(jìn)器的框體式UUV故障推進(jìn)器的定位與辨識(shí)問(wèn)題；根據(jù)以上分析過(guò)程，歸納出框體式UUV故障推進(jìn)器的定位與辨識(shí)算法。分別采用僅配置標(biāo)量推進(jìn)器和配置有矢量推進(jìn)器的框體式UUV，建立仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)

6、證所提故障推進(jìn)器定位與辨識(shí)算法的有效性。
　　(4)基于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障診斷研究，解決執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障而UUV卻仍可控的容錯(cuò)控制問(wèn)題。針對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障卻仍然可控的情形，提出故障調(diào)節(jié)容錯(cuò)控制算法，通過(guò)調(diào)節(jié)反饋控制輸入實(shí)現(xiàn)主動(dòng)容錯(cuò)控制，并應(yīng)用于舵面形變故障的主動(dòng)容錯(cuò)控制分析。針對(duì)故障執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在配置冗余的情形，提出了無(wú)冗余約束的冗余補(bǔ)償與有冗余約束的冗余規(guī)劃容錯(cuò)控制算法，前者采用冗余執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供容錯(cuò)控制輸入，后者從控制回路中刪除故障