CN102681537A - 船舶航向控制系统故障检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶航向控制系统故障检测装置及其方法，本发明的船舶航向控制系统故障检测装置通过设置故障检测滤波器、参考残差模型、残差信号分析装置、显示装置及故障报警装置，故障检测滤波器生成残差信号；残差信号分析装置用于计算并比较残差评价函数与给定阈值的大小。基于上述故障检测装置，本发明的故障检测方法，可以在残差评价函数的值大于给定阈值时，显示装置显示残差评价函数曲线，故障报警装置提示故障的发生。本发明实现了对船舶航向控制过程中的故障检测，故障检测快捷有效，可改善船舶巡航的安全性、经济性以及适应不同海况的能力，具有实际应用价值。

Description

船舶航向控制系统故障检测装置及其方法

技术领域

本发明属于船舶航向自动控制及故障检测技术领域，具体涉及一种船舶航向控制系统故障检测装置及其方法。

背景技术

船舶航向控制是指通过操舵仪，使得船舶首向角跟踪设定航向。船舶在运动过程中受到各种外部干扰，如风、浪、流等的影响，一方面，为节省燃油并尽可能快速地到达目的地，要求保持船舶巡航过程中的航向稳定性；另一方面，船舶离靠泊，灵活掉头，障碍物规避等又要求船舶能及时改变航向。因此如何实现船舶航向的精确控制，提高船舶巡航的安全性、经济性以及适应不同海况的能力是一个十分有价值的问题。

在对船舶航向进行控制的过程中，电罗经及舵角反馈装置用于将船舶航向及舵角信息反馈至航向控制器和舵角控制器，而舵角控制器的控制信号传输至舵机，舵机通过舵杆控制舵实现航向精确控制。在航向控制过程中，如果航向控制器、舵角控制器出现阶跃型、斜坡型故障，或者舵机出现卡死型故障，则就不能实现船舶航向的精确控制，从而影响船舶巡航的安全性、经济性。因此，当船舶航向控制系统出现故障时，如何及时检测故障的发生并及时采取措施消除故障是有重要意义的。

专利申请号为200410101876.1，发明名称为“一种自动舵航向控制系统及其方法”的专利，它的特征是“系统包括：偏航效应、航向角补偿等功能装置，航向偏差装置、航向控制装置、操舵装置等；方法包括：求出航向偏差值、舵角控制指令调节等”。专利申请号为201110052297.2，名称为“船舶航向变论域模糊与最小二乘支持向量机复合控制方法”的发明专利“提供了一种船舶航向变论域模糊与最小二乘支持向量机复合控制方法，使船舶的航向按指令航向精度跟踪给定期望航向”。以上两个发明未考虑航向控制过程中可能出现故障的情况，因而不便于对存在故障的船舶进行精确的航向控制。专利申请号为200910072337.2，发明名称为“一种船用计程仪故障检测装置”的专利，它“包括数据处理器、多路选通器、数据采集单元、通信接口单元、计程仪和PC机等，无需专业人员即可随时进行高效的故障诊断及定位”。但是该发明无法实现对船舶航向控制系统进行故障检测。专利申请号为201010203536.5的发明专利“提供的是一种船舶航向控制系统故障在线预报方法”。该发明主要是预报系统故障的发生，而不是检测系统故障。现有技术中，暂时还没有通过设置故障检测滤波器、参考残差模型、残差信号分析装置等实现船舶航向控制系统故障检测的装置和方法。

因此，需要一种船舶航向控制系统故障检测装置及其方法来解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明目的是为了克服现有技术中无法对船舶航向控制系统进行故障检测的缺陷，提供一种精确、快捷的船舶航向控制系统故障检测装置及其方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明的船舶航向控制系统故障检测装置可采用如下技术方案：

一种船舶航向控制系统故障检测装置，所述航向控制系统包括电罗经和操舵仪，所述电罗经自动、连续地提供船舶航向信息，所述故障检测装置包括故障检测模块，所述故障检测模块包括故障检测滤波器、参考残差模型、残差信号分析装置、显示装置及故障报警装置，所述故障检测滤波器和所述参考残差模型设置在所述操舵仪上，所述故障检测滤波器连接所述操舵仪，所述故障检测滤波器接收来自所述电罗经的船舶航向信息并生成残差信号；所述残差信号分析装置与所述故障检测滤波器和所述操舵仪相连接，所述残差信号分析装置用于计算并比较残差评价函数与给定阈值的大小；所述操舵仪连接所述显示装置及故障报警装置，所述显示装置用于显示残差评价函数曲线，所述故障报警装置提示用户故障的发生。

有益效果：与现有技术相比，本发明的船舶航向控制系统故障检测装置通过设置故障检测滤波器、参考残差模型、残差信号分析装置、显示装置及故障报警装置等，并通过合理连接各物理设备，实现对船舶航向控制过程中的故障检测。本发明硬件连接关系简单，故障检测快捷有效，可改善船舶巡航的安全性、经济性以及适应不同海况的能力，具有实际应用价值。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明的船舶航向控制系统故障检测方法可采用如下技术方案：

一种船舶航向控制系统故障检测方法，采用本发明的船舶航向控制系统故障检测装置，包括以下步骤：

a、所述故障检测滤波器根据所述电罗经的船舶航向信息生成残差信号；

b、所述残差信号分析装置根据所述残差信号计算残差评价函数；

c、所述残差信号分析装置比较残差评价函数的值与给定阈值的值，当残差评价函数的值大于给定阈值的值时，则故障发生，所述残差信号分析装置将相应的信息传输到所述操舵仪上的显示装置及故障报警装置，以提示用户故障已发生；当残差评价函数的值小于等于给定阈值的值时，没有故障发生，则残差信号分析装置继续计算残差评价函数的值并比较残差评价函数与给定阈值的大小关系。

有益效果：与现有技术相比，本发明的船舶航向控制系统故障检测方法通过故障检测滤波器、参考残差模型、残差信号分析装置、显示装置及故障报警装置等，实现对船舶航向控制过程中的故障检测，故障检测快捷有效，可改善船舶巡航的安全性、经济性以及适应不同海况的能力，具有实际应用价值。

附图说明

图1是船舶航向控制系统的结构示意图和信号传递关系图；

图2是本发明的船舶航向控制系统故障检测装置结构示意图和信号传递关系图。

图1、图2中：实线表示各装置之间的连接关系，带箭头的虚线表示信号传递方向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图1所示，本发明的船舶航向控制系统故障检测装置，其中航向控制系统包括舵、舵机、舵角反馈装置、电罗经、操舵仪、航向控制器和舵角控制器等装置。电罗经分别连接航向控制器和操舵仪，电罗经自动、连续地提供船舶的航向信息并计算给定航向与实际航向之间的偏差并传输至航向控制器；舵角反馈装置检测舵角信号并反馈舵角信号；航向控制器连接舵角控制器，舵机通过舵杆连接所述舵，舵角控制器根据航向偏差与舵角反馈信息生成控制输入并传输至舵机；舵机分别连接舵角控制器和操舵仪，舵机接收舵角控制器的控制信号和操舵仪的控制信号，并根据收到的信号控制转舵，调整航向。操舵仪安装在驾驶舱，且可根据航向及舵角偏差情况传输控制信号至舵机，以达到调整航向的目的。电罗经自动、连续地对船舶航向进行采样，计算给定航向与实际航向之间的偏差并将相应的航向偏差信息传到航向控制器。航向偏差及舵角反馈装置所反馈的舵角信号传到舵角控制器，且舵角控制器构建相应的控制输入并传输至舵机。舵机通过舵杆与舵连接，操舵仪通过Profibus现场总线将控制信号传输至舵机。舵机既可以接收舵角控制器的控制信号，又可以接收操舵仪的控制信号，并根据收到的信号控制转舵，达到调整航向的目的。

由于船舶在航行过程中不可避免地会受到风、浪、流的影响，因此船舶航向很容易偏离给定航向，为了保证船舶沿着给定航向航行，电罗经会自动连续的采样船舶的航向信息，并计算给定航向与实际航向之间的偏差并将相应的航向偏差信息传到航向控制器，航向控制器根据航向偏差生成控制输入。如果航向控制器发生故障，如阶跃型、斜坡型故障，则相应的故障信号会包含在航向控制器所生成的控制输入中。舵角反馈装置检测并反馈舵角信息，舵角控制器的作用是根据航向控制器所生成的控制输入及舵角反馈信息，构建相应的控制输入并传输至舵机。舵机通过舵杆与舵连接，操舵仪通过Profibus现场总线将控制信号传输至舵机。舵机既可以接收舵角控制器的控制信号，又可以接收操舵仪的控制信号，并根据收到的信号控制转舵，达到调整航向的目的。如果舵角控制器发生故障，则相应的故障信号也会包含在舵角控制器所生成的控制输入中。另外，舵机也可能出现卡死型故障。

请参阅图2所示，本发明的船舶航向控制系统故障检测装置包括故障检测模块，故障检测模块包括故障检测滤波器、参考残差模型、残差信号分析装置、显示装置及故障报警装置。其中故障检测滤波器和参考残差模型设置在操舵仪上，故障检测滤波器连接操舵仪，故障检测滤波器接收来自电罗经的船舶航向信息并生成残差信号；残差信号分析装置分别与故障检测滤波器和操舵仪相连接，残差信号分析装置用于计算并比较残差评价函数与给定阈值的大小；操舵仪连接显示装置及故障报警装置，显示装置用于显示残差评价函数曲线，故障报警装置通过红灯闪烁及声音提示用户故障的发生。

如果航向控制器及舵角控制器发生故障，如阶跃型、斜坡型故障，或者舵机出现卡死型故障，则航向控制器及舵角控制器所生成的控制输入中会包含故障信号，此时就需要由故障检测模块来检测故障的发生并报警。对于离散时间船舶航向控制系统，设船舶航向状态方程、故障检测滤波器状态方程、参考残差模型分别如公式（1）、（2）、（3）所示，

x_k+1＝Ax_k+Bu_k+E₁ω_k+E₂f_k

y_k＝Cx_k,                             （1）

${\hat{x}}_{k+1}=\hat{A}{\hat{x}}_k+\hat{B}[{\mathrm{\λ}}_k{y}_k+(1-{\mathrm{\λ}}_k)y_{k-p_k-d_k}]$

$r_k=\hat{C}{\hat{x}}_k,---\left(2\right)$

${\stackrel{\‾}{x}}_{k+1}=A_W{\stackrel{\‾}{x}}_k+B_W{f}_k---\left(3\right)$

${\stackrel{\‾}{f}}_k=C_W{\stackrel{\‾}{x}}_k+D_W{f}_k$

其中x_k,u_k,ω_k,f_k,y_k,

,r_k,

分别为船舶航向的状态值、舵机的控制输入、外部扰动、故障、船舶航向的量测输出值、故障检测滤波器状态、残差信号、参考残差模型状态和参考残差模型输出；A,B,E₁,E₂,C,A_W,B_W,C_W,D_W为已知的常数矩阵，且在船舶航向角、舵角、横摇角等各个参数已知的情况下，这些常数矩阵可通过数值计算得到；

为待设计的故障检测滤波器的增益；λ_k的值取1或0，且λ_k＝1对应于无时延、丢包的情况，λ_k＝0对应于存在时延、丢包的情况；p_k，d_k分别表示丢包数及时延值。由船舶航向的状态值、故障检测滤波器状态、参考残差模型状态构建扩展状态向量及扩展闭环系统，并设计系统的故障检测滤波器。

当设计完成故障检测滤波器后，可以根据公式（2）计算残差信号，残差信号分析装置根据计算所得到的残差信号，构造残差评价函数

T＝t₂-t₁+1，其中，r_k代表残差信号，t₁,t₂分别为进行故障检测的起始时刻和终止时刻，T为进行故障检测的时间跨度；

且取残差评价函数阈值为

其中，f_k代表故障信号。

残差信号分析装置比较‖r‖_T与J_th的值，当‖r‖_T＞J_th时，则故障发生，且残差信号分析装置将相应的信息传输到操舵仪上的显示装置及故障报警装置，以提示用户故障已发生；当‖r‖_T≤J_th，没有故障发生，则残差信号分析装置继续计算‖r‖_T的值，并比较‖r‖_T与J_th的大小关系。

当操舵仪上的显示装置及故障报警装置收到残差信号分析装置的信号时，显示装置显示残差评价函数曲线，以体现故障对于系统残差信号的影响，且故障报警装置通过红灯闪烁及声音提示用户故障的发生。

如上所述，本发明的船舶航向控制系统故障检测装置和方法可以快速检测船舶航向控制系统中的故障，使用简单方便。本发明快捷有效、硬件连接关系简单，便于实现船舶航向控制系统的故障检测，从而改善船舶巡航的安全性、经济性及适应不同海况的能力，具有实际应用价值。

Claims (7)

1.一种船舶航向控制系统故障检测装置，所述航向控制系统包括电罗经和操舵仪，所述电罗经自动、连续地提供船舶航向信息，其特征在于，所述故障检测装置包括故障检测模块，所述故障检测模块包括故障检测滤波器、参考残差模型、残差信号分析装置、显示装置及故障报警装置，所述故障检测滤波器和所述参考残差模型设置在所述操舵仪上，所述参考残差模型用于设计所述故障检测滤波器，所述故障检测滤波器连接所述操舵仪，所述故障检测滤波器接收来自所述电罗经的船舶航向信息并生成残差信号；所述残差信号分析装置与所述故障检测滤波器和所述操舵仪相连接，所述残差信号分析装置用于计算并比较残差评价函数与给定阈值的大小；所述操舵仪连接所述显示装置及故障报警装置，所述显示装置用于显示残差评价函数曲线，所述故障报警装置提示用户故障的发生。

2.如权利要求1所述的船舶航向控制系统故障检测装置，其特征在于，所述航向控制系统还包括舵、舵机、舵角反馈装置、航向控制器和舵角控制器，所述电罗经分别连接所述航向控制器和所述操舵仪，所述电罗经自动、连续地提供船舶的航向信息并计算给定航向与实际航向之间的偏差并传输至所述航向控制器；所述舵角反馈装置检测舵角信号并反馈舵角信号；所述航向控制器连接所述舵角控制器，所述舵机通过舵杆连接所述舵，所述舵角控制器根据航向偏差与舵角反馈信息生成控制输入并传输至所述舵机；所述舵机分别连接所述舵角控制器和所述操舵仪，所述舵机接收舵角控制器的控制信号和操舵仪的控制信号，并根据收到的信号控制转舵。

3.如权利要求2所述的船舶航向控制系统故障检测装置，其特征在于，所述故障检测滤波器通过将船舶航向状态、故障检测滤波器状态及参考残差模型状态结合起来，构造扩展状态向量，并在扩展状态向量的基础上构造故障检测闭环系统，在所得到的故障检测闭环系统的基础上，设计得到故障检测滤波器，其中船舶航向状态方程、故障检测滤波器状态方程、参考残差模型分别如公式（1）、（2）、（3）所示：

x_k+1＝Ax_k+Bu_k+E₁ω_k+E₂f_k          （1）

y_k＝Cx_k,

${\hat{x}}_{k+1}=\hat{A}{\hat{x}}_k+\hat{B}[{\mathrm{\λ}}_k{y}_k+(1-{\mathrm{\λ}}_k)y_{k-p_k-d_k}]---\left(2\right)$

$r_k=\hat{C}{\hat{x}}_k,$

${\stackrel{\‾}{x}}_{k+1}=A_W{\stackrel{\‾}{x}}_k+B_W{f}_k$

${\stackrel{\‾}{f}}_k=C_W{\stackrel{\‾}{x}}_k+D_W{f}_k---\left(3\right)$

其中x_k,u_k,ω_k,f_k,y_k,r_k,

分别为船舶航向的状态值、舵机的控制输入、外部扰动、故障、船舶航向的量测输出值、故障检测滤波器状态、残差信号、参考残差模型状态和参考残差模型输出；A,B,E₁,E₂,C,A_W,B_W,C_W,D_W为已知的常数矩阵；为故障检测滤波器的增益；λ_k的值取1或0，λ_k＝1对应于无时延、丢包的情况，λ_k＝0对应于存在时延、丢包的情况；p_k，d_k分别表示丢包数及时延值。

4.如权利要求2所述的船舶航向控制系统故障检测装置，其特征在于，所述操舵仪通过Profibus现场总线将控制信号传输至舵机。

5.如权利要求1所述的船舶航向控制系统故障检测装置，其特征在于，所述残差评价函数为

T＝t₂-t₁+1其中，r_k代表残差信号，t₁,t₂分别为进行故障检测的起始时刻和终止时刻，T为进行故障检测的时间跨度；

所述给定阈值为

其中，f_k代表故障信号。

6.如权利要求1所述的船舶航向控制系统故障检测装置，其特征在于，所述故障报警装置通过红灯闪烁及声音提示用户故障的发生。

7.一种船舶航向控制系统故障检测方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的船舶航向控制系统故障检测装置，包括以下步骤：

a、所述故障检测滤波器根据所述电罗经的船舶航向信息生成残差信号；

b、所述残差信号分析装置根据所述残差信号计算残差评价函数；

c、所述残差信号分析装置比较残差评价函数的值与给定阈值的值，当残差评价函数的值大于给定阈值的值时，则故障发生，所述残差信号分析装置将相应的信息传输到所述操舵仪上的显示装置及故障报警装置，以提示用户故障已发生；当残差评价函数的值小于等于给定阈值的值时，没有故障发生，则残差信号分析装置继续计算残差评价函数的值并比较残差评价函数与给定阈值的大小关系。

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