基于不確定模型的船舶舵機電液伺服系統(tǒng)故障診斷研究.pdf

1、舵機電液伺服系統(tǒng)對于控制船舶運行，保持航向起著重要的作用，其安全性可靠性向來備受關注。船舶出海一次具有時間長，航海環(huán)境復雜多變的特點，因此舵機電液伺服系統(tǒng)在運行中經(jīng)常受到許多難以準確測量的未知時變干擾力，如作用在舵葉上的水作用力，舵機各構件產(chǎn)生的摩擦力和其它作用力，再加上系統(tǒng)固有的非線性和參數(shù)不確定性等，給舵機電液伺服系統(tǒng)的故障診斷帶來挑戰(zhàn)，以往基于確定模型的故障診斷方法已不適用。本論文針對一類常用的船舶舵機電液伺服系統(tǒng)，研究了在其不確

2、定條件下進行有效故障診斷的策略，實現(xiàn)了多類故障的檢測、隔離和重構。這些研究為船舶舵機電液伺服系統(tǒng)的在線自動故障診斷提供支撐，具有廣泛的實際應用前景和重要的學術研究價值。
　　針對船舶舵機電液伺服系統(tǒng)的固有非線性、參數(shù)不確定性以及運行時受到時變外干擾力的問題，本文提出了一種不確定擾動下舵機電液伺服系統(tǒng)干擾完全解耦的故障診斷方法。創(chuàng)新之處是，與現(xiàn)有方法相比，該方法不需要對粘性阻尼、摩擦、外載荷力等難以準確獲得的不確定干擾因素進行測量或

3、估計，也不需要對上述干擾做有界的假設，通過合理配置原系統(tǒng)觀測模型的參數(shù)矩陣，即可在不犧牲對故障的敏感性下實現(xiàn)對干擾的完全解耦。仿真和實驗結果均表明不同外干擾力下，故障診斷的結果完全不受影響，之前采用干擾估計的方法下不能完全得到診斷的六種故障在本文所提方法下能夠全部得到有效診斷。在前述干擾解耦故障診斷的策略上，提出了一種考慮傳感器故障的多觀測模型同步協(xié)作式故障隔離方法。該方法不僅考慮了舵機電液伺服系統(tǒng)內(nèi)的多種故障，還將為進行故障診斷而添加

4、的傳感器故障考慮進來，針對一類故障設計一個特定的觀測模型，通過所有觀測模型的同步運行和協(xié)作判斷，解決了時變干擾下多種故障類別的在線辨識問題。之后，提出了一種舵機電液伺服系統(tǒng)故障和干擾同時精確重構策略。與之前依靠特征信號的間接故障診斷相比，該方法實現(xiàn)了故障的直接診斷，更利于早期緩變故障的發(fā)現(xiàn)。實驗結果表明，各種故障均能得到有效隔離，且故障重構誤差在±5％內(nèi)。此外，針對舵機電液伺服系統(tǒng)故障診斷實時和經(jīng)濟的要求，一方面提出了一種兼顧限制條件的

5、有效解快速獲取優(yōu)化算法，另一方面提出了一種帶分段權重的在線自適應閾值的計算方法，可節(jié)省存儲空間，提高計算效率。在此基礎上研發(fā)了船舶舵機電液伺服系統(tǒng)在線故障診斷軟件平臺，在硬件上僅需添加兩個普通壓力傳感器即可，便于工程實現(xiàn)且經(jīng)濟成本低。實驗結果表明所有故障均可在發(fā)生后1s內(nèi)得到診斷，符合實時性要求。
　　論文的主要結構如下:
　　第一章，概述了船舶舵機電液伺服系統(tǒng)及常見故障，詳細闡述基于模型的故障診斷和電液伺服系統(tǒng)故障診斷的研

6、究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。在此基礎上，確立了船舶舵機電液伺服系統(tǒng)故障診斷的初步策略，最后介紹了本課題的主要研究內(nèi)容。
　　第二章，對船舶舵機電液伺服系統(tǒng)及其常見故障進行數(shù)學建模，并對模型的不確定性進行分析，通過相關仿真和實驗研究，確立了基于不確定模型的故障診斷的思路。介紹了系統(tǒng)的仿真與實驗平臺并對不同故障進行了模擬，初步分析了各類故障特征，為下步故障診斷方法的確立提供依據(jù)。
　　第三章，針對船舶舵機電液伺服系統(tǒng)，提出了一種不確定擾動

7、下干擾完全解耦故障診斷方法，并采用確定模型下的故障診斷方法進行對比，論述了相應的算法和詳細的設計步驟，根據(jù)實際需要設計了帶分段權重的自適應閾值協(xié)助故障決策。仿真與實驗對比研究了兩種故障檢測方法在正常狀態(tài)的表現(xiàn)、對干擾的魯棒性以及對各種故障的檢測效果，并得出相應的結論。
　　第四章，針對舵機電液伺服系統(tǒng)及為診斷而添加傳感器中的故障，提出了一種多觀測模型同步協(xié)作式故障隔離方法，闡述了多觀測模型的選取原則和過程，并提出了兼顧限制條件的有

8、效解快速獲取優(yōu)化算法，在此基礎上建立了舵機電液伺服系統(tǒng)在線故障診斷方案，最后通過仿真和實驗檢驗了故障隔離方案的效果。
　　第五章，根據(jù)已設計的觀測模型的結構特點以及對干擾的良好魯棒性，提出了一種舵機電液伺服系統(tǒng)故障和干擾同時精確重構策略，針對之前討論的系統(tǒng)中的多類故障，逐一制定故障及干擾的重構方案及計算步驟，通過仿真和實驗驗證了所提出的重構方案的有效性。
　　第六章，對本文的主要研究工作和結論進行了總結歸納，闡述了本文的創(chuàng)新