CN102778888A - 一种无缆深潜器航迹跟踪控制系统故障检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无缆深潜器航迹跟踪控制系统故障检测装置，所述系统由GPS接收天线、GPS接收装置、电罗经、舵角反馈装置、航迹控制器、舵角控制器、航迹跟踪参考模型、控制信号接收装置、操舵仪、舵机、舵、故障检测滤波器、参考残差模型、残差信号分析装置、故障报警装置组成。本发明同时给出了该检测装置检测故障的方法。本发明可以方便快捷地实现无缆深潜器航迹跟踪控制系统的故障检测，为无缆深潜器巡航的可操纵性和安全性提供保障，具有实际应用和推广价值。

Description

一种无缆深潜器航迹跟踪控制系统故障检测装置和方法

技术领域

本发明涉及一种无缆深潜器航迹跟踪控制系统，属于无缆深潜器航迹跟踪控制及故障检测技术领域。同时本发明公开了其故障检测方法。 

背景技术

深潜器是具有水下观察和作业能力的活动深潜水装置，主要用来执行水下考察、海底勘探、海底开发和打捞、救生等任务。与有缆深潜器相比，无缆深潜器具有更强的机动能力，更便于执行反水雷、沿海地区潜艇跟踪以及情报、监视和侦察任务等。无缆深潜器航迹跟踪控制是指通过操舵仪，使得无缆深潜器的航迹跟踪设定轨迹。无缆深潜器在巡航过程中不可避免地会受到洋流等的影响；各种信号通过无线网络在水中传输时容易受到无线电或其他信号的干扰，且信号在水中传输时会有较大幅度的衰减或漂移。因此，如何实现无缆深潜器航迹的精确跟踪控制，提高无缆深潜器巡航的安全性及工作效率是一个十分有价值的问题。 

在对无缆深潜器的航迹进行控制的过程中，航迹、航向偏差以及舵角反馈信息传输至舵角控制器，而舵角控制器与操舵仪发出的信号经控制信号接收装置最终传输至舵机，舵机通过舵杆控制舵实现航向调整，并最终使得实际航迹较好地跟踪设定航迹。在航迹跟踪控制过程中，如果航迹控制器、舵角控制器、控制信号接收装置出现阶跃型、斜坡型故障，或者舵机出现卡死型故障，则不能实现无缆深潜器航向的精确控制，从而影响到航迹跟踪控制的效果。因此，当无缆深潜器航迹跟踪控制系统出现故障时，如何及时检测故障的发生并采取措施消除故障是有重要意义的。 

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种无缆深潜器航迹跟踪控制系统故障检测装置和方法，实现对无缆深潜器航迹跟踪控制过程精确、快捷的故障检测。 

本发明通过如下技术手段加以实现：一种无缆深潜器航迹跟踪控制系统故障检测装置，系统由GPS接收天线、GPS接收装置、电罗经、舵角反馈装置、航迹控制器、舵角控制器、航迹跟踪参考模型、控制信号接收装置、操舵仪、舵机、舵、故障检测滤波器、参考残差模型、残差信号分析装置、故障报警装置组成。 

航迹跟踪参考模型生成设定航迹；GPS接收装置接收GPS输出的无缆深潜器实际航迹 信息，并计算设定航迹与实际航迹之间的偏差；电罗经自动、连续地提供无缆深潜器的航向信号，计算设定航向与实际航向之间的偏差，且航迹偏差与航向偏差传到航迹控制器；航迹控制器根据无缆深潜器的航迹、航向偏差，无缆深潜器航迹状态以及航迹跟踪参考模型状态生成控制输入，并将相应的控制输入传到舵角控制器；舵角反馈装置检测并反馈舵角信号，航迹控制器所生成的控制输入、航迹偏差、航向偏差、舵角反馈信号传输至舵角控制器，舵角控制器发送控制输入至控制信号接收装置；舵机通过舵杆与舵连接，操舵仪通过Profibus现场总线将控制输入传输至控制信号接收装置。控制信号接收装置既可以接收舵角控制器的信号，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。参考残差模型用于设计故障检测滤波器；故障检测滤波器生成残差信号；故障报警装置安装在操舵仪上；残差信号分析装置计算并比较残差评价函数与给定阈值的大小。 

所述的航迹跟踪参考模型为 

${\tilde{x}}_{k+1}=J{\tilde{x}}_k+t_k$

${\tilde{y}}_k=H{\tilde{x}}_k,$

其中 

t_k分别为航迹跟踪参考模型状态、航迹跟踪参考模型输出及航迹跟踪参考模型输入，J、H为具有与 

相匹配维数的实数矩阵，k为自然数或零； 

设置航迹状态方程为 

x_k+1=Ax_k+Bu_k+E₁ω_k+E₂f_k

y_k=Cx_k, 

其中x_k、u_k、ω_k、f_k、y_k分别为无缆深潜器航迹的状态值，控制输入，外部扰动，故障，无缆深潜器航迹的量测输出值,A、B、C、E₁、E₂为具有与x_k、u_k、ω_k、f_k、y_k相匹配维数的实数矩阵。 

一种无缆深潜器航迹跟踪控制系统的故障检测方法，包括如下步骤： 

1）通过故障检测滤波器状态方程 

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

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

及参考残差模型 

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

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

设计故障检测滤波器并计算残差信号； 

其中，λ_k的值为1或0，p_m≤p_k≤p_M，d_m≤d_k≤d_M，p_m,p_M,d_m,d_M为正整数。 

2）构造残差评价函数 T=t₂-t₁+1并取取残差评价函数阈值为  $J_{\mathrm{th}}=\underset{f_k=0}{\sup }{\left|\right|r\left|\right|}_T;$

3）残差信号分析装置比较||r||_T与J_th的值，若当||r||_T>J_th时，残差信号分析装置将相应的信息传输到操舵仪上的故障报警装置；当||r||_T≤J_th，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； 

其中 

rk分别为故障检测滤波器的状态及残差信号； 

分别为参考残差模型状态及参考残差模型输出， 

A_W、B_W、C_W、D_W为具有与 

y_k,r_k, 

f_k, 

相匹配维数的实数矩阵，t₁,t₂为自然数或零，且t₁<t₂。 

本发明在以一种无缆深潜器航迹跟踪控制系统故障检测装置和方法为背景的基础上，通过设置GPS接收装置、航迹控制器、舵角控制器、故障检测滤波器、参考残差模型、残差信号分析装置、故障报警装置等，并通过合理连接各物理设备，实现对无缆深潜器航迹跟踪控制过程中的故障检测。本发明中用于故障检测的硬件连接关系简单，故障检测快捷有效、易于推广，可改善无缆深潜器对设定航迹的跟踪能力，具有实际应用和推广价值。 

附图说明

图1是本发明的航迹跟踪控制系统硬件连接及信号传递关系图。 

图2是本发明的故障检测、报警装置硬件连接及信号传递关系图。 

其中实线表示硬件之间的连接关系，带箭头的虚线表示信号传递方向。 

具体实施方式

本发明所述一种无缆深潜器航迹跟踪控制系统故障检测装置，由航迹跟踪控制模块和故障检测模块组成，航迹跟踪控制模块包含GPS接收天线、GPS接收装置、电罗经、舵角反馈装置、航迹控制器、舵角控制器、航迹跟踪参考模型、控制信号接收装置、操舵仪、舵机、舵等装置，故障检测模块包含故障检测滤波器、参考残差模型、残差信号分析装置、 故障报警装置等。航迹控制器、舵角控制器生成控制输入，以使得无缆深潜器实际航迹跟踪设定航迹；残差信号分析装置计算并比较残差评价函数与给定阈值的大小，当残差评价函数的值大于给定阈值时，故障报警装置闪烁并发出报警声音。 

本发明按照附图1中的连接方式对航迹跟踪控制模块中的各装置进行硬件连接。操舵仪安装在驾驶舱，且可根据航向、航迹及舵角偏差情况经控制信号接收装置传输信号至舵机，并由舵机控制转舵以达到调整航向的目的。航迹跟踪参考模型生成设定航迹，GPS接收装置每隔m(0.5<m<3)秒自动接收无缆深潜器的航迹信息，并计算设定航迹与实际航迹之间的偏差；电罗经以采样周期n(0.5<n<3)对无缆深潜器航向进行采样，计算设定航向与实际航向之间的偏差；航迹偏差与航向偏差传到航迹控制器，航迹控制器根据航迹偏差与航向偏差生成控制信号。航迹、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一个零阶保持器，即控制信号接收装置。控制信号接收装置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，且将最近收到的控制信号传输至舵机。舵机根据收到的信号控制转舵，达到调整航向的目的，进而保证较好的航迹跟踪控制效果。 

如果航迹控制器及舵角控制器发生故障，或者舵机出现卡死型故障，则航迹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，且故障信号最终体现在残差信号中。按附图2中的方式对故障检测模块中各硬件进行连接。对于离散时间无缆深潜器航迹跟踪控制系统，设无缆深潜器航迹状态方程、故障检测滤波器状态方程、航迹跟踪参考模型、参考残差模型分别如公式（1）、（2）、（3）、（4）所示， 

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

y_k=Cx_k, 

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

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

${\tilde{x}}_{k+1}=J{\tilde{x}}_k+t_k$ （3） 

${\tilde{y}}_k=H{\tilde{x}}_k,$

${\stackrel{\&OverBar;}{x}}_{k+1}=A_W{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_k+B_W{f}_k$ （4） 

${\stackrel{\&OverBar;}{f}}_k=C_W{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_k+D_W{f}_k$

其中x_k,u_k,ω_k,f_k,y_k, 

r_k, 

t_k, 

分别为无缆深潜器航迹的状态值，控制输入，外部扰动，故障，无缆深潜器航迹的量测输出值，故障检测滤波器状态，残差信号，航迹跟踪参考模型状态，航迹跟踪参考模型输入，航迹跟踪参考模型输出，参考残差模型状态 及参考残差模型输出；公式（1-4）中的各常数矩阵可根据航向角、舵角及深潜器转首角速度等参数计算得到，具体来说，是与上述变量具有相匹配维数的实数矩阵。由无缆深潜器航迹的状态值、故障检测滤波器状态、航迹跟踪参考模型状态、参考残差模型状态构建扩展状态向量及扩展闭环系统，利用李亚普诺夫方法、线性矩阵不等式设计系统的航迹跟踪控制器及故障检测滤波器增益。在处理航迹跟踪控制器及故障检测滤波器设计时，一方面要使得无缆深潜器航迹的量测输出值与航迹跟踪参考模型的量测输出值之间的误差 

尽可能的小，另一方面要使得残差信号与参考残差模型输出之间的误差 

尽可能的小，此时采用双目标优化方法，即使得 

的值最小，其中a∈[0,1]。利用数学中的凸分析方法可以很容易地求取 

的最小值。 

当设计完成航迹跟踪控制器及故障检测滤波器增益后，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，且取残差评价函数阈值为 

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故障报警装置，并通过红灯闪烁及声音提示用户故障的发生；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。 

本发明中一种无缆深潜器航迹跟踪控制系统故障检测装置和方法的特点是可以快速检测无缆深潜器航迹跟踪控制系统中的故障，使用简单方便。本发明快捷有效、硬件连接关系简单且易于推广，便于实现无缆深潜器航迹跟踪控制及故障检测，从而改善无缆深潜器巡航的安全性及对设定航迹的跟踪能力，具有实际应用和推广价值。 

Claims (3)

1.一种无缆深潜器航迹跟踪控制系统的故障检测装置，其特征在于：系统由GPS接收天线、GPS接收装置、电罗经、舵角反馈装置、航迹控制器、舵角控制器、航迹跟踪参考模型、控制信号接收装置、操舵仪、舵机、舵、故障检测滤波器、参考残差模型、残差信号分析装置、故障报警装置组成。舵机通过舵杆与舵连接，故障报警装置安装在操舵仪上；航迹控制器、舵角控制器、控制信号接收装置、操舵仪依次连接，电罗经与GPS接收装置连接后连接航迹控制器及操舵仪，GPS接收天线连接到GPS接收装置的天线输入端。航迹跟踪参考模型生成设定航迹；GPS接收装置接收GPS输出的无缆深潜器实际航迹信息，并计算设定航迹与实际航迹之间的偏差；电罗经计算设定航向与实际航向之间的偏差，将航迹偏差与航向偏差传到航迹控制器；航迹控制器生成控制输入，并将相应的控制输入传到舵角控制器；舵角反馈装置检测并反馈舵角信号；舵角控制器根据舵角信号等生成控制输入，并发送控制输入至控制信号接收装置；控制信号接收装置根据收到的信号控制转舵。参考残差模型用于设计故障检测滤波器；故障检测滤波器生成残差信号；残差信号分析装置计算并比较残差评价函数与给定阈值的大小。

2.根据权利要求1所述的一种无缆深潜器航迹跟踪控制系统的故障检测装置，其特征在于：所述的航迹跟踪参考模型为

${\tilde{x}}_{k+1}=J{\tilde{x}}_k+t_k$

${\tilde{y}}_k=H{\tilde{x}}_k,$

其中

t_k分别为航迹跟踪参考模型状态、航迹跟踪参考模型输出及航迹跟踪参考模型输入，J、H为具有与

相匹配维数的实数矩阵，k为自然数或零；

设置航迹状态方程为

x_k+1=Ax_k+Bu_k+E₁ω_k+E₂f_k

y_k=Cx_k,

其中x_k、u_k、ω_k、f_k、y_k分别为无缆深潜器航迹的状态值，控制输入，外部扰动，故障，无缆深潜器航迹的量测输出值,A、B、C、E₁、E₂为具有与x_k、u_k、ω_k、f_k、y_k相匹配维数的实数矩阵。

3.一种根据权利要求1所述的一种无缆深潜器航迹跟踪控制系统的故障检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）通过故障检测滤波器状态方程

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

$r_k=\hat{C}{\hat{x}}_k$ ${\stackrel{\&OverBar;}{x}}_{k+1}=A_W{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_k+B_W{f}_k$

及参考残差模型 ${\stackrel{\&OverBar;}{f}}_k=C_W{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_k+D_W{f}_k$

设计故障检测滤波器并计算残差信号；

其中，λ_k的值为1或0，p_m≤p_k≤p_M，d_m≤d_k≤d_M，p_m,p_M,d_m,d_M为正整数。

2）构造残差评价函数T=t₂-t₁+1，并取残差评价函数阈值为 $J_{\mathrm{th}}=\underset{f_k=0}{\sup }{\left|\right|r\left|\right|}_T;$

3）残差信号分析装置比较||r||_T与J_th的值，若当||r||_T>J_th时，且残差信号分析装置将相应的信息传输到操舵仪上的故障报警装置；当||r||_T≤J_th，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；

其中

r_k分别为故障检测滤波器的状态及残差信号；

分别为参考残差模型状态及参考残差模型输出，

A_W、B_W、C_W、D_W为具有与

y_k,r_k,f_k,

相匹配维数的实数矩阵，t₁,t₂为自然数或零，且t₁<t₂。

Images