無人水下航行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障診斷與容錯控制研究

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1、西北王業(yè)大學(xué)博±學(xué)位論文（學(xué)位研究生）題目：無人水下航行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障診斷與容錯控制研究作者：劉富墻學(xué)科專業(yè)：控制理論與控制工程（）指導(dǎo)教師：徐德民教授２０巧年１１月西安ｎｏｓｉｌ－ＴｏＦａｕｌｔＤｉａｇｓａｎｄＦａｕｔｌｅｒａｎｔＣｏｎｔｒｏｌｆｏｒＡｃｔｕａｔｏｒｓｏｆＵｎｍａｎｎｅｄＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＶｅｈｉｃｌｅｓＢｙＬＩＵＰｕ－ｑｉａｎｇＵｎｄｅｒｔｈｅＳｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎｏｆＰｒｏｆｅｓｓｏｒＸＵＤｅ－ｍｉｎＡｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｓｕｂｍｉｔｔｅｄｔｏＮｏｒｔｈｗ

2、ｅｓｔｅｒｎＰｏｌｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓ化ｙｙｉｎａｒｔｉａｌｆｕｌｆｉｌｌｍｅｎｔｏｆｔｈｅｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｔｈｅｄｅｒｅｅｏｆｐｑｇＤｏｃｔｏｒｏｆＰｈｉｌｏｓｏｈｐｙｉｎＣｏｎｔｒｏｌＴｈｅｏｒｙａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎｇｇＸ，ｉａｎＰ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ２０１５摘要摘要海洋蘊(yùn)藏著大量人類社會發(fā)展所需卻難Ｗ開采的自然資源，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類對海洋的探索與開發(fā)日新月著。水下航巧器作為人類進(jìn)軍海洋的主要工具＾之，受復(fù)雜海洋環(huán)境的影響，其運(yùn)

3、動控制系統(tǒng)中的執(zhí)巧機(jī)構(gòu)可能發(fā)生各種故障，使得人員與設(shè)備的安全受到威脅。在面臨故障時水下航巧器所采取的故障診斷和容錯控制措施，對提高人員和設(shè)備的安全保障具有重要意義。國內(nèi)外開展水下航巧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)巧機(jī)構(gòu)故障問題的研究方案尚少。鑒于此，本文開展常見回轉(zhuǎn)體式和框體式無人水下航巧器ＵＵＶ執(zhí)巧機(jī)構(gòu)的故障診斷與容錯控制研究，分別就ＵＵＶ運(yùn)動控制（）系統(tǒng)線性與非線性動力學(xué)模型的故障估計與檢測、回轉(zhuǎn)體式和框體式ＵＵＶ運(yùn)動控制系統(tǒng)執(zhí)巧機(jī)構(gòu)的故障定位與辨識、執(zhí)巧機(jī)構(gòu)發(fā)生故障但仍可控時的故障調(diào)節(jié)主動容錯控制Ｗ及故障執(zhí)巧機(jī)構(gòu)存在冗余時

4、的控制重構(gòu)主動容錯控制等問題進(jìn)巧深入的研究，提出相應(yīng)的算法并進(jìn)巧仿真實驗。本文的主要研究內(nèi)容如下：１研究模型控制輸入的故障估計與檢測問題，從ＵＵＶ運(yùn)動控制系統(tǒng)的。首先（）線性與非線性動力學(xué)模型著手，設(shè)計加性和乘性故障描述因子Ｗ表征模型控制輸入因執(zhí)巧機(jī)構(gòu)故障而發(fā)生的改變；并先后采用甘〇〇濾波估計算法、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(xué)模型，結(jié)、狀態(tài)全部可知Ｗ及部分可知的非線性動力學(xué)模型的故障描述因子估計。然后合故障描述因子的估計，設(shè)計故障檢測函數(shù)，實時對比檢測函數(shù)值與故障閥值實現(xiàn)故障檢測。最后，通過仿

5、真實驗驗證模型控制輸入故障估計與檢測算法的有效性。２研究回轉(zhuǎn)體式ＵＵＶ執(zhí)巧機(jī)構(gòu)的故障定位與辨識問題。針對回轉(zhuǎn)體式ＵＵＶ（）姿態(tài)控制與動力推進(jìn)兩個子系統(tǒng)的艙面、艙機(jī)、螺旋獎和推進(jìn)電機(jī)等機(jī)構(gòu)，基于模型控制輸入的故障估計與檢測結(jié)果，結(jié)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)巧機(jī)構(gòu)故障的前提下，定位出當(dāng)前執(zhí)巧機(jī)構(gòu)的故障，并通過解控制輸入方＾程進(jìn)步實現(xiàn)故障辨識。根據(jù)分析結(jié)果，采用仿真實驗驗證艙面形變故障定位方法的有效性。０）研究框體式ＵＵＶ執(zhí)巧機(jī)構(gòu)的故障定位與辨識問題。針對框體式ＵＵＶ通常配置的執(zhí)巧機(jī)構(gòu)推進(jìn)器，通過分析控制矩陣提出推進(jìn)器的冗余關(guān)系分析算法，

6、并給出框體式ＵＵＶ故障推進(jìn)器定位與辨識的前提；基于模型控制輸入的故障估計ｉ西化工業(yè)大學(xué)博壬學(xué)位論文無人水下航行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障診斷與容錯控制研究與檢測結(jié)果，分別研究僅配置標(biāo)量推進(jìn)器與配置有矢量推進(jìn)器的框體式ＵＵＶ故障推進(jìn)器的定位與辨識問題根據(jù)Ｗ上分析過程，舊納出框體式ＵＵＶ故障推進(jìn)器的；定位與辨識算法。分別采用僅配置標(biāo)量推進(jìn)器和配置有矢量推進(jìn)器的框體式ＵＵＶ，建立仿真實驗，驗證所提故障推進(jìn)器定位與辨識算法的有效性。４基于執(zhí)巧機(jī)構(gòu)的故障診斷研究，解決執(zhí)巧機(jī)構(gòu)發(fā)生故障而ＵＵＶ卻仍可控的（）容錯控制問題。針對執(zhí)巧機(jī)構(gòu)發(fā)生故障卻仍然可控的情形，提出故障調(diào)節(jié)容

7、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(yīng)用于艙面形變故障的主動容錯控制分析。針對故障執(zhí)巧機(jī)構(gòu)存在配置冗余的情形，提出了無冗余約束的冗余補(bǔ)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)巧機(jī)構(gòu)提供容錯控制輸入，后者從控制回路中刪除故障執(zhí)巧機(jī)構(gòu)并重新規(guī)劃運(yùn)動控制輸入。通過回轉(zhuǎn)體式ＵＵＶ艙面形變故障和框體式ＵＵＶ推進(jìn)器故障的容錯控制仿真實驗，分別驗證故障調(diào)節(jié)與控制重構(gòu)主動容錯控制算法的有效性。關(guān)鍵詞：無人水下航巧器，