基于不確定模型的船舶舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)故障診斷研究.pdf

1、舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)對(duì)于控制船舶運(yùn)行，保持航向起著重要的作用，其安全性可靠性向來備受關(guān)注。船舶出海一次具有時(shí)間長(zhǎng)，航海環(huán)境復(fù)雜多變的特點(diǎn)，因此舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)在運(yùn)行中經(jīng)常受到許多難以準(zhǔn)確測(cè)量的未知時(shí)變干擾力，如作用在舵葉上的水作用力，舵機(jī)各構(gòu)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(jī)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(duì)一類常用的船舶舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)，研究了在其不確

2、定條件下進(jìn)行有效故障診斷的策略，實(shí)現(xiàn)了多類故障的檢測(cè)、隔離和重構(gòu)。這些研究為船舶舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)的在線自動(dòng)故障診斷提供支撐，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景和重要的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。
　　針對(duì)船舶舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)的固有非線性、參數(shù)不確定性以及運(yùn)行時(shí)受到時(shí)變外干擾力的問題，本文提出了一種不確定擾動(dòng)下舵機(jī)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(duì)粘性阻尼、摩擦、外載荷力等難以準(zhǔn)確獲得的不確定干擾因素進(jìn)行測(cè)量或

3、估計(jì)，也不需要對(duì)上述干擾做有界的假設(shè)，通過合理配置原系統(tǒng)觀測(cè)模型的參數(shù)矩陣，即可在不犧牲對(duì)故障的敏感性下實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的完全解耦。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明不同外干擾力下，故障診斷的結(jié)果完全不受影響，之前采用干擾估計(jì)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(cè)模型同步協(xié)作式故障隔離方法。該方法不僅考慮了舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)內(nèi)的多種故障，還將為進(jìn)行故障診斷而添加

4、的傳感器故障考慮進(jìn)來，針對(duì)一類故障設(shè)計(jì)一個(gè)特定的觀測(cè)模型，通過所有觀測(cè)模型的同步運(yùn)行和協(xié)作判斷，解決了時(shí)變干擾下多種故障類別的在線辨識(shí)問題。之后，提出了一種舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)故障和干擾同時(shí)精確重構(gòu)策略。與之前依靠特征信號(hào)的間接故障診斷相比，該方法實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各種故障均能得到有效隔離，且故障重構(gòu)誤差在±5％內(nèi)。此外，針對(duì)舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)故障診斷實(shí)時(shí)和經(jīng)濟(jì)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(quán)重的在線自適應(yīng)閾值的計(jì)算方法，可節(jié)省存儲(chǔ)空間，提高計(jì)算效率。在此基礎(chǔ)上研發(fā)了船舶舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)在線故障診斷軟件平臺(tái)，在硬件上僅需添加兩個(gè)普通壓力傳感器即可，便于工程實(shí)現(xiàn)且經(jīng)濟(jì)成本低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所有故障均可在發(fā)生后1s內(nèi)得到診斷，符合實(shí)時(shí)性要求。
　　論文的主要結(jié)構(gòu)如下:
　　第一章，概述了船舶舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)及常見故障，詳細(xì)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(shì)。在此基礎(chǔ)上，確立了船舶舵機(jī)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?jī)?nèi)容。
　　第二章，對(duì)船舶舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)及其常見故障進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并對(duì)模型的不確定性進(jìn)行分析，通過相關(guān)仿真和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)并對(duì)不同故障進(jìn)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(duì)船舶舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)，提出了一種不確定擾動(dòng)

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(jìn)行對(duì)比，論述了相應(yīng)的算法和詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)了帶分段權(quán)重的自適應(yīng)閾值協(xié)助故障決策。仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了兩種故障檢測(cè)方法在正常狀態(tài)的表現(xiàn)、對(duì)干擾的魯棒性以及對(duì)各種故障的檢測(cè)效果，并得出相應(yīng)的結(jié)論。
　　第四章，針對(duì)舵機(jī)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(cè)模型同步協(xié)作式故障隔離方法，闡述了多觀測(cè)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(chǔ)上建立了舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)在線故障診斷方案，最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了故障隔離方案的效果。
　　第五章，根據(jù)已設(shè)計(jì)的觀測(cè)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及對(duì)干擾的良好魯棒性，提出了一種舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)故障和干擾同時(shí)精確重構(gòu)策略，針對(duì)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(gòu)方案及計(jì)算步驟，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的重構(gòu)方案的有效性。
　　第六章，對(duì)本文的主要研究工作和結(jié)論進(jìn)行了總結(jié)歸納，闡述了本文的創(chuàng)新