船舶系統(tǒng)在線式多類故障注入控制平臺的研制.pdf

1、船舶通常運行在特殊且較惡劣的外部環(huán)境下，其操艇控制系統(tǒng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。在實際運行過程中，系統(tǒng)可能會產(chǎn)生各種故障，例如，通信線路在傳輸過程中可能會引入干擾造成通信錯誤，開關(guān)發(fā)生誤動作等。這種特殊運行環(huán)境決定了控制系統(tǒng)必須具備高度安全可靠性，從而控制系統(tǒng)在故障時能作出正確的決策。船舶控制系統(tǒng)在線式故障注入平臺是安全性實驗室的大型重要設(shè)備，根據(jù)操艇系統(tǒng)的運行特性，通過故障注入技術(shù)模擬實際運行中發(fā)生的各類故障，人為地將其注入到

2、系統(tǒng)中，為船舶控制系統(tǒng)的容錯技術(shù)研究提供軟硬件的開發(fā)平臺，并為容錯控制原型驗證提供測試條件。本文的研究重點及取得的成果主要包括以下幾個方面:
　　 (1)介紹了在線式多類故障注入控制平臺研制的研究背景及意義，分別對故障注入技術(shù)、容錯技術(shù)和數(shù)字濾波技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行了闡述，對船舶操艇控制平臺進行了需求分析。
　　 (2)闡述了故障注入的原理及流程。提出并研制了一種應用于船舶系統(tǒng)的在線式硬件故障注入控制平臺，由硬件電路完成各

3、類故障的注入，真實地模擬實際運行中船舶可能發(fā)生的故障。這種方法彌補了傳統(tǒng)故障注入方法偏向于軟件注入，實時性不高，且無法實現(xiàn)位移傳感器這類阻抗型故障的注入等不足，同時實現(xiàn)了故障注入技術(shù)從計算機或控制學科到電氣領(lǐng)域的跨越。提出了操艇控制系統(tǒng)故障注入平臺的整體設(shè)計方案，其中故障設(shè)置及注入裝置與本地控制單元為最主要的兩部分，并提出采用傳感器冗余技術(shù)來提高系統(tǒng)可靠性。
　　 (3)提出了一種在線式技術(shù)，解決了更換注入故障類型時需要斷開電源

4、重新接線的問題，在上電的情況下，可以安全地連接或斷開線路，實現(xiàn)真正的即插即用，提高了系統(tǒng)的靈活性與可靠性。
　　 (4)提出了故障設(shè)置及注入裝置的硬件整體結(jié)構(gòu)框架，主要用于對開關(guān)量、電壓型模擬量、電流型模擬量、阻抗型模擬量信號實施故障設(shè)置及注入，可模擬船舶的各種常見故障。故障注入電路需要疊加白噪聲、正弦波、矩形波等信號，本文以白噪聲信號為例，提出了一種幅值可調(diào)的高斯白噪聲信號產(chǎn)生方法，通過改變方差值，可得到不同信噪比的白噪聲信號

5、。設(shè)計了上下位機以太網(wǎng)通信的硬件部分，可以實現(xiàn)對下位機DSP運行的控制，同時監(jiān)視下位機硬件系統(tǒng)的運行狀態(tài)。搭建了電壓型、電流型模擬量故障注入控制板及執(zhí)行板的硬件電路，通過兩種方案的對比，選出了效果更佳的故障注入電路結(jié)構(gòu);搭建了阻抗型及開關(guān)量的故障注入電路，實現(xiàn)了多類故障的注入。
　　 (5)按照功能需求建立了故障注入系統(tǒng)的軟件整體架構(gòu)，主要分為上位機軟件及下位機軟件。詳細闡述了軟件開發(fā)與編碼遵循的的原則及開發(fā)流程。針對上位機軟件

6、設(shè)計了控制平臺的軟件界面，給出了包括主程序、通道搜索、故障狀態(tài)顯示、故障注入、歷史數(shù)據(jù)查詢程序，界面友好，易于人員操作。此外，還對上下位機的通信控制流程進行了詳細的闡述。
　　 (6)提出了一種應用于船舶閥控操舵系統(tǒng)的遞推積分PI控制策略。對閥控操舵系統(tǒng)進行了數(shù)學建模，得出了其閉環(huán)傳遞函數(shù)，在此基礎(chǔ)上，對控制算法進行了仿真，取得了較好的仿真效果，實現(xiàn)了對舵角的穩(wěn)態(tài)無誤差控制。為提高采樣系統(tǒng)的可靠性，針對船舶操舵系統(tǒng)的采樣對象設(shè)計

7、了一種新型中位值加權(quán)平均數(shù)字濾波方法，實驗表明，可以有效地對采樣信號的干擾進行濾除。在此基礎(chǔ)上，本文對船舶系統(tǒng)故障注入平臺的本地控制單元進行了硬件和軟件的設(shè)計。
　　 本文針對大型船舶控制系統(tǒng)研制了在線式的多類故障注入控制平臺，可實時模擬船舶運行在海洋環(huán)境下可能發(fā)生的各類故障。由故障注入及設(shè)置裝置實現(xiàn)故障的注入，本地控制單元采集數(shù)據(jù)并送至容錯計算機進行容錯計算，由本地控制單元完成對泵控、閥控等系統(tǒng)的閉環(huán)控制。因此，本文提出的故障