CN108508873A - 超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制方法 - Google Patents

Abstract

超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制方法，建立潜艇三维空间运动的状态空间模型；构建超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制系统装置；建立超声波辅助检测系统数学模型；构建超声波辅助检测潜艇舵系统的增广系统，设计故障观测器和容错控制器。利用超声波辅助检测系统对潜艇舵系统故障进行自检测，并与传统的潜艇运动系统结合构成增广系统，实现对潜艇舵系统故障与外界干扰之间和潜艇舵系统各种不同故障之间的解耦，达到对潜艇舵系统故障的准确检测。利用超声波测距模块及反射挡板构成的自检测系统结构简单、易于实现、故障检测快捷有效。装置简易、容错控制方法高效实用，降低潜艇舵系统故障诊断与容错控制的经济成本。

Description

超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制方法

技术领域

本发明涉及潜艇舵系统，尤其是涉及超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制方法。

背景技术

潜艇舵系统是直接影响潜艇航向操纵性、经济性和安全性的主要装置，因此对潜艇舵系统做故障诊断和容错控制技术研究是十分必要的。尽管故障诊断方法从基于模型的、基于数据的到专家系统层出不穷，应用领域也十分广阔，但是针对潜艇舵系统的故障诊断和容错控制研究的资料却少之又少，也多数为理论研究，行之有效的方法更是微乎其微。

潜艇在三维空间的运动([1]苏玉民，庞永杰.潜艇原理[M].哈尔滨工程大学出版社，2004)是一个复杂且庞大的系统，对其舵系统进行故障诊断本身也会存在诸多的困难，执行器故障和外界干扰间，执行器多种故障间都存在着耦合问题，严重制约着故障诊断的快速性和准确性，因此设计一种装置对舵系统自身故障进行检测，并和潜艇运动系统结合成增广系统来实现潜艇舵系统故障诊断和容错控制具有非常重要的意义([2]刘利军.故障诊断与容错控制一体化设计及其在飞行器控制中的应用[D].哈尔滨.哈尔滨工业大学博士论文，2011)。超声波测距具有精度高、适应性强、响应速度快等特点，可以有效地应用于潜艇舵系统自身故障检测上。

目前工业应用及舰船等领域的容错控制方法主要还是硬件容错的方法，成本高、更新和可维护性较差；解析容错控制的方法虽然有了较大的发展，但在潜艇控制系统上应用的较少。

发明内容

本发明的目的在于提供利用超声波对潜艇舵系统进行自检测，实现对潜艇舵系统执行器与外界干扰之间和执行器与执行器之间的故障解耦，以达到对潜艇舵系统故障的准确检测的超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制方法。

本发明包括以下步骤：

1)建立潜艇三维空间运动的状态空间模型；

在步骤1)中，所述建立潜艇三维空间运动的状态空间模型的具体方法可为：对潜艇三维空间运动做受力分析，列出方程，选取轴向速度u、横向速度v、垂向速度w、横倾角速度p、纵倾角速度q和偏航角速度r作为状态变量，以艏舵角δ_b、艉舵角δ_s和方向舵角δ_r作为系统输入变量构建潜艇系统的状态空间模型，代入潜艇设计数据确定各系数矩阵。

2)构建超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制系统装置；

在步骤2)中，所述构建超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制系统装置的具体方法可为：由基于超声波辅助检测的潜艇舵系统控制装置、超声波测距模块及反射挡板、PLC控制器、Arduino单片机、西门子MPI适配器以及工控机，所述工控机集成有STEP7、WinCC、Arduino和Matlab等软件；所述基于超声波辅助检测的潜艇舵系统控制装置的三个伺服液压缸分别作为潜艇的艏舵、艉舵和方向舵，工控机的Matlab软件中潜艇运动模型通过OPC通讯方式下发控制命令给PLC控制器，控制艏舵、艉舵和方向舵的运行；艏舵、艉舵和方向舵上由超声波测距模块及反射挡板构成的辅助检测系统在伺服液压缸动作时，将位移数据实时传入Arduino单片机中进行处理，并通过Arduino软件以串口通讯的方式经WinCC与Matlab软件中的故障观测器和容错控制器进行数据交互，共同构建超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制系统装置。

3)建立超声波辅助检测系统数学模型；

在步骤3)中，所述建立超声波辅助检测系统数学模型的具体方法可为：在艏舵、艉舵和方向舵上分别加装超声波辅助检测装置，所述超声波辅助检测装置由艏舵超声波与反射挡板、艉舵超声波与反射挡板、方向舵超声波与反射挡板组成，对潜艇舵系统故障进行自检测；据实验数据拟合，超声波测距系统近似为一阶系统，进而得出超声波测距系统状态空间表达，则由艏舵、艉舵和方向舵的三套超声波测距模块及反射挡板构成的辅助检测系统状态空间模型可表示为：

其中，c(t)为超声波辅助检测系统状态，u^f(t)为舵系统实际输入变量，υ(t)为检测系统噪声，B_υ＝diag[h₁ h₂ h₃]，且0＜h_i＜1。

4)构建超声波辅助检测潜艇舵系统的增广系统，设计故障观测器和容错控制器。

在步骤4)中，所述构建超声波辅助检测潜艇舵系统的增广系统，设计故障观测器和容错控制器的具体方法可为：首先，将注入故障的潜艇运动系统状态空间模型和超声波辅助检测系统状态空间模型组合成增广系统，在注入故障的过程中采用理论故障与实际故障相结合的方式，直观、真实地反应潜艇舵系统在实际运行中可能遭受的各种故障情形；然后，设计未知输入的故障观测器，通过选取适当的非零定常矩阵P₁和P₂，实现对潜艇舵系统故障与外界干扰之间和潜艇舵系统各种不同故障之间的解耦，从而达到对故障的快速准确检测；最后，设计容错控制器：u(t)＝Kx(t)，其中，u(t)为增广系统输入，x(t)为增广系统状态，容错控制器K在每一个采样周期会根据自适应更新律更新重构一次，则系统输入和状态也会随之更新，使得系统最终趋于稳定，达到容错控制的效果。

本发明具有以下优点：

1)本发明利用超声波辅助检测系统对潜艇舵系统故障进行自检测，并与传统的潜艇运动系统结合构成增广系统，实现了对潜艇舵系统故障与外界干扰之间和潜艇舵系统各种不同故障之间的解耦，从而达到对潜艇舵系统故障的快速准确检测。

2)本发明利用超声波测距模块及反射挡板构成的自检测系统结构简单、易于实现、故障检测快捷有效，同时，整个系统装置简易、容错控制方法高效实用，有效地降低了潜艇舵系统故障诊断与容错控制的经济成本。

3)本发明将潜艇舵系统理论故障和实际故障相结合，而不同于传统故障诊断纯理论仿真，为潜艇舵系统故障诊断与容错控制提供了新方法具有极强的实际应用和推广价值。

附图说明

图1为本发明所述超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制系统装置实施例的结构示意图。

图2为图1中的基于超声波辅助检测的潜艇舵控制系统装置示意图。

具体实施方式

现结合实施例和附图说明本发明的具体实施方式：

本发明实施例针对超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制的方法具体按照以下步骤实施：

步骤一：建立潜艇三维空间运动的状态空间模型。

对潜艇在三维空间运动的情形做受力分析，并忽略相关弱影响因素，可以得到如下简化后的力和力矩方程：

所述力的方程包括：轴向力方程、横向力方程和垂向力方程。

1、轴向力方程：

2、横向力方程：

3、垂向力方程：

所述力矩方程包括：横倾力矩方程、纵倾力矩方程和偏航力矩方程。

1、横倾力矩方程：

2、纵倾力矩方程：

3、偏航力矩方程：

通过对上述潜艇三维空间运动模型非线性方程的简化，可以得到潜艇系统在初始状态邻域附近的线性化方程。选取轴向速度u、横向速度v、垂向速度w、横倾角速度p、纵倾角速度q和偏航角速度r作为潜艇系统的6个状态变量；艏舵角δ_b、艉舵角δ_s和方向舵角δ_r为系统输入变量可以得到潜艇系统的状态空间模型如下：

其中，x(t)＝[u(t) v(t) w(t) p(t) q(t) r(t)]^T为系统的状态，u^f(t)＝[δ_b(t)δ_s(t) δ_r(t)]^T为系统的实际输入舵角控制变量，w(t)＝[w₁(t) w₂(t) w₃(t)]^T为系统外界干扰，z(t)为评价输出，定常矩阵A,B,B_w,C,D可以通过潜艇的设计资料数据计算确定。

步骤二：构建超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制系统装置。

本发明所述超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制系统装置如图1和2所示，所述超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制系统装置设有基于超声波辅助检测的潜艇舵系统控制装置1、PLC控制器2、MPI适配器3以及工控机4，所述工控机4集成有WinCC 41、Matlab 42、Arduino 43和STEP744等软件。在图1中，标记A为监测运行与超声波数据传输，B为MPI驱动。

所述构建超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制系统装置的具体方法可为：由基于超声波辅助检测的潜艇舵系统控制装置1、超声波测距模块及反射挡板11～13、Arduino单片机17、PLC控制器2、西门子MPI适配器3以及工控机4，所述工控机4集成有WinCC 41、Matlab 42、Arduino 43和STEP744等软件；基于超声波辅助检测的潜艇舵系统控制装置1的3个伺服液压缸分别作为潜艇的艏舵14、艉舵15和方向舵16，工控机4的Matlab42软件中潜艇运动模型通过OPC通讯方式下发控制命令给PLC控制器2，控制艏舵14、艉舵15和方向舵16的运行；艏舵14、艉舵15和方向舵16上由超声波测距模块及反射挡板11～13构成的辅助检测系统在伺服液压缸动作时，将位移数据实时传入Arduino单片机17中进行处理，并通过Arduino 43以串口通讯的方式经WinCC 41与Matlab 42软件中的故障观测器和容错控制器进行数据交互，共同构建超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制系统装置。

步骤三：建立超声波辅助检测系统数学模型。

如图2所示，在艏舵14、艉舵15和方向舵16上分别加装超声波辅助检测装置。在潜艇控制系统给定舵角打舵的过程中，通过单独进行测距实验，利用最小二乘法对实验数据进行拟合，可知超声波测距系统近似为一阶系统，其输出结果近似于一阶系统的阶跃响应，即：同时可以得到相应的时间常数T，进而得到超声波测距系统状态空间表达为：则由艏舵14、艉舵15和方向舵16三套超声波辅助检测装置构成的系统状态空间模型可表示为：

其中，c(t)为超声波辅助检测系统状态，u^f(t)为舵系统实际输入变量，υ(t)为检测系统噪声，B_υ＝diag[h₁ h₂ h₃]，且0＜h_i＜1。

步骤四：构建超声波辅助检测潜艇舵系统的增广系统，设计故障观测器和容错控制器。

1：假设舵系统故障为乘性故障，并用θ_i表示故障率，且0≤θ_i≤1，则舵系统输入命令和实际控制命令存在如下关系：

则带有故障的潜艇系统状态空间模型可表示为：

假设存在矩阵P₁满足P₁B_w＝0，且超声波辅助检测系统系数矩阵满足其中m＝3。

令且则可得到潜艇舵系统的增广系统为：

其中，

2：舵系统正常运行时执行机构控制电压最大值为±4.85V，系统压力为2～5MPa。故障按照如下方式注入：

1)系统从初始状态运行后，设定PLC程序在时间t＝5s时，将艏舵压力由5MPa减至3MPa，艏舵工作效率约损失50％，但依然可以运行，艏舵的输入舵角值变化范围也随之相应减小，即此时系统注入故障可表示为θ＝[0.5 0 0]^T。

2)设定PLC程序在时间t＝10s时，将艉舵的控制电压边界值由4.85V切换到3V(正死区电压约为1.21V，负死区电压约为1.78V),艉舵工作效率约损失65％，但依然可以运行，艉舵的输入舵角值变化范围也随之相应减小，且艏舵保持上一时刻故障，方向舵保持正常，即此时系统注入故障可表示为θ＝[0.5 0.65 0]^T。

3)在时间t＝15s时，通过基于超声波辅助检测的潜艇舵系统控制装置将方向舵磁致位移传感器增益降低约40％，传感器性能也相应下降，即方向舵工作效率约损失40％，但依然可以工作，且艏舵和艉舵依然保持上一时刻故障，即此时系统注入故障可表示为θ＝[0.5 0.65 0.4]^T。

4)在时间t＝25s时，利用固件同时顶住艏舵、艉舵和方向舵端部，在卡舵状态下使其性能急剧下降，此时各舵缓慢运行，通过改变固件卡舵力度使系统整体工作效率约损失85％，即此时系统注入故障可表示为θ＝[0.85 0.85 0.85]^T。

3：因为则存在P₂≠0满足且P₂B_λ＝I_m，故可设计未知输入观测器为：

其中，H＜0且为对角矩阵，ξ(t)是对的估计，即跟踪误差则求导有：

其中，Θ＝diag[θ₁ θ₂ θ₃]。选取适当的矩阵P₂，则故障观测器可化为：

其中，U_u(t)＝[u₁(t) u₂(t) u₃(t)]，则实现了对潜艇舵系统故障与外界干扰之间和潜艇舵系统各种不同故障之间的解耦，从而达到对故障的快速准确检测。

4：设为θ_i的估计，ξ_i(t,t₀)为估计误差的边界，其中i＝1,2,3。定义故障估计参数估计误差边界矩阵Ψ(t,t₀)＝diag[ξ₁(t,t₀) ξ₂(t,t₀)ξ₃(t,t₀)]。构造容错控制器如下：

其中，N为自适应容错控制器采样周期补偿阶数。在潜艇运动系统运行过程中，每个采样周期内会进行一次更新，同时，会进行一次自适应重构，则潜艇运动系统的控制输入和状态也会随之更新，以满足实际运行状况，使得潜艇运动系统最终趋于稳定，达到容错控制的效果。

本实施例利用超声波辅助检测系统对潜艇舵系统进行自检测，有效地对潜艇舵系统故障与外界干扰之间和潜艇舵系统各种不同故障之间的解耦，达到了对潜艇舵系统故障的快速准确检测，由超声波测距模块及反射挡板构成的自检测系统结构简单、易于实现。同时，将潜艇舵系统理论故障和实际故障相结合，设计出一种集成故障诊断与自适应容错控制的控制器实现了对潜艇舵系统的高效容错控制，有效地降低了潜艇舵系统故障诊断与容错控制的经济成本。

Claims (6)

1.超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)建立潜艇三维空间运动的状态空间模型；

2)构建超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制系统装置；

3)建立超声波辅助检测系统数学模型；

4)构建超声波辅助检测潜艇舵系统的增广系统，设计故障观测器和容错控制器。

2.如权利要求1所述超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制方法，其特征在于在步骤1)中，所述建立潜艇三维空间运动的状态空间模型的具体方法为：对潜艇三维空间运动做受力分析，列出方程，选取轴向速度u、横向速度v、垂向速度w、横倾角速度p、纵倾角速度q和偏航角速度r作为状态变量，以艏舵角δ_b、艉舵角δ_s和方向舵角δ_r作为系统输入变量构建潜艇系统的状态空间模型，代入潜艇设计数据确定各系数矩阵。

3.如权利要求1所述超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制方法，其特征在于在步骤2)中，所述构建超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制系统装置的具体方法为：由基于超声波辅助检测的潜艇舵系统控制装置、超声波测距模块及反射挡板、PLC控制器、Arduino单片机、西门子MPI适配器以及工控机，所述工控机集成有STEP7、WinCC、Arduino和Matlab软件；所述基于超声波辅助检测的潜艇舵系统控制装置的三个伺服液压缸分别作为潜艇的艏舵、艉舵和方向舵。

4.如权利要求3所述超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制方法，其特征在于工控机的Matlab软件中潜艇运动模型通过OPC通讯方式下发控制命令给PLC控制器，控制艏舵、艉舵和方向舵的运行；艏舵、艉舵和方向舵上由超声波测距模块及反射挡板构成的辅助检测系统在伺服液压缸动作时，将位移数据实时传入Arduino单片机中进行处理，并通过Arduino软件以串口通讯的方式经WinCC与Matlab软件中的故障观测器和容错控制器进行数据交互，共同构建超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制系统装置。

5.如权利要求1所述超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制方法，其特征在于在步骤3)中，所述建立超声波辅助检测系统数学模型的具体方法为：在艏舵、艉舵和方向舵上分别加装超声波辅助检测装置，所述超声波辅助检测装置由艏舵超声波与反射挡板、艉舵超声波与反射挡板、方向舵超声波与反射挡板组成，对潜艇舵系统故障进行自检测；据实验数据拟合，超声波测距系统近似为一阶系统，进而得出超声波测距系统状态空间表达，则由艏舵、艉舵和方向舵的三套超声波测距模块及反射挡板构成的辅助检测系统状态空间模型表示为：

其中，c(t)为超声波辅助检测系统状态，u^f(t)为舵系统实际输入变量，υ(t)为检测系统噪声，B_υ＝diag[h₁ h₂ h₃]，且0＜h_i＜1。

6.如权利要求1所述超声波辅助检测的潜艇舵系统故障诊断与容错控制方法，其特征在于在步骤4)中，所述构建超声波辅助检测潜艇舵系统的增广系统，设计故障观测器和容错控制器的具体方法为：首先，将注入故障的潜艇运动系统状态空间模型和超声波辅助检测系统状态空间模型组合成增广系统，在注入故障的过程中采用理论故障与实际故障相结合的方式，直观、真实地反应潜艇舵系统在实际运行中可能遭受的各种故障情形；然后，设计未知输入的故障观测器，通过选取适当的非零定常矩阵P₁和P₂，实现对潜艇舵系统故障与外界干扰之间和潜艇舵系统各种不同故障之间的解耦，从而达到对故障的快速准确检测；最后，设计容错控制器：u(t)＝Kx(t)，其中，u(t)为增广系统输入，x(t)为增广系统状态，容错控制器K在每一个采样周期会根据自适应更新律更新重构一次，则系统输入和状态也会随之更新，使得系统最终趋于稳定，达到容错控制的效果。