無人水下航行器執(zhí)行機構故障診斷與容錯控制研究.pdf

1、海洋蘊藏著大量人類社會發(fā)展所需卻難以開采的自然資源，隨著科學技術的進步，人類對海洋的探索與開發(fā)日新月著。水下航行器作為人類進軍海洋的主要工具之一，受復雜海洋環(huán)境的影響，其運動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機構可能發(fā)生各種故障，使得人員與設備的安全受到威脅。在面臨故障時水下航行器所采取的故障診斷和容錯控制措施，對提高人員和設備的安全保障具有重要意義。
　　國內(nèi)外開展水下航行器的故障診斷與容錯控制研究已逾二十年，而較為系統(tǒng)解決執(zhí)行機構故障問題的研究

2、方案尚少。鑒于此，本文開展常見回轉體式和框體式無人水下航行器（UUV)執(zhí)行機構的故障診斷與容錯控制研究，分別就UUV運動控制系統(tǒng)線性與非線性動力學模型的故障估計與檢測、回轉體式和框體式UUV運動控制系統(tǒng)執(zhí)行機構的故障定位與辨識、執(zhí)行機構發(fā)生故障但仍可控時的故障調(diào)節(jié)主動容錯控制以及故障執(zhí)行機構存在冗余時的控制重構主動容錯控制等問題進行深入的研究，提出相應的算法并進行仿真實驗。本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　(1)研究模型控制輸入的故障

3、估計與檢測問題。首先，從UUV運動控制系統(tǒng)的線性與非線性動力學模型著手，設計加性和乘性故障描述因子以表征模型控制輸入因執(zhí)行機構故障而發(fā)生的改變；并先后采用濾波估計算法、線性觀測估計算法和連續(xù)-離散無跡卡爾曼濾波估計算法，通過濾波器或者觀測器實時獲得線性動力學模型、狀態(tài)全部可知以及部分可知的非線性動力學模型的故障描述因子估計。然后，結合故障描述因子的估計，設計故障檢測函數(shù)，實時對比檢測函數(shù)值與故障閾值實現(xiàn)故障檢測。最后，通過仿真實驗驗證模

4、型控制輸入故障估計與檢測算法的有效性。
　　(2)研究回轉體式UUV執(zhí)行機構的故障定位與辨識問題。針對回轉體式UUV姿態(tài)控制與動力推進兩個子系統(tǒng)的舵面、舵機、螺旋槳和推進電機等機構，基于模型控制輸入的故障估計與檢測結果，結合傳感器量測數(shù)據(jù)分析控制輸入方程，在排除其它執(zhí)行機構故障的前提下，定位出當前執(zhí)行機構的故障，并通過解控制輸入方程進一步實現(xiàn)故障辨識。根據(jù)分析結果，采用仿真實驗驗證舵面形變故障定位方法的有效性。
　　(3)研

5、究框體式UUV執(zhí)行機構的故障定位與辨識問題。針對框體式UUV通常配置的執(zhí)行機構—推進器，通過分析控制矩陣提出推進器的冗余關系分析算法，并給出框體式UUV故障推進器定位與辨識的前提；基于模型控制輸入的故障估計與檢測結果，分別研究僅配置標量推進器與配置有矢量推進器的框體式UUV故障推進器的定位與辨識問題；根據(jù)以上分析過程，歸納出框體式UUV故障推進器的定位與辨識算法。分別采用僅配置標量推進器和配置有矢量推進器的框體式UUV，建立仿真實驗，驗

6、證所提故障推進器定位與辨識算法的有效性。
　　(4)基于執(zhí)行機構的故障診斷研究，解決執(zhí)行機構發(fā)生故障而UUV卻仍可控的容錯控制問題。針對執(zhí)行機構發(fā)生故障卻仍然可控的情形，提出故障調(diào)節(jié)容錯控制算法，通過調(diào)節(jié)反饋控制輸入實現(xiàn)主動容錯控制，并應用于舵面形變故障的主動容錯控制分析。針對故障執(zhí)行機構存在配置冗余的情形，提出了無冗余約束的冗余補償與有冗余約束的冗余規(guī)劃容錯控制算法，前者采用冗余執(zhí)行機構提供容錯控制輸入，后者從控制回路中刪除故障