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文檔簡介
1、海洋蘊(yùn)藏著大量人類社會(huì)發(fā)展所需卻難以開采的自然資源,隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,人類對海洋的探索與開發(fā)日新月著。水下航行器作為人類進(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,對提高人員和設(shè)備的安全保障具有重要意義。
國內(nèi)外開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)故障問題的研究
2、方案尚少。鑒于此,本文開展常見回轉(zhuǎn)體式和框體式無人水下航行器(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)線性與非線性動(dòng)力學(xué)模型的故障估計(jì)與檢測、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)。本文的主要研究內(nèi)容如下:
(1)研究模型控制輸入的故障
3、估計(jì)與檢測問題。首先,從UUV運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的線性與非線性動(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、線性觀測估計(jì)算法和連續(xù)-離散無跡卡爾曼濾波估計(jì)算法,通過濾波器或者觀測器實(shí)時(shí)獲得線性動(dòng)力學(xué)模型、狀態(tài)全部可知以及部分可知的非線性動(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)故障檢測函數(shù),實(shí)時(shí)對比檢測函數(shù)值與故障閾值實(shí)現(xiàn)故障檢測。最后,通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模
4、型控制輸入故障估計(jì)與檢測算法的有效性。
(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)問題。針對回轉(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)與檢測結(jié)果,結(jié)合傳感器量測數(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)問題。針對框體式UUV通常配置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)—推進(jìn)器,通過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)與檢測結(jié)果,分別研究僅配置標(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)問題;根據(jù)以上分析過程,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)控制問題。針對執(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。針對故障執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在配置冗余的情形,提出了無冗余約束的冗余補(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
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