无人水下航行器执行机构故障诊断与容错控制研究

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1、西北王业大学博±学位论文（学位研究生）题目：无人水下航行器执行机构故障诊断与容错控制研究作者：刘富墙学科专业：控制理论与控制工程（）指导教师：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海洋蕴藏着大量人类社会发展所需却难Ｗ开采的自然资源，随着科学技术的进步，人类对海洋的探索与开发日新月著。水下航巧器作为人类进军海洋的主要工具＾之，受复杂海洋环境的影响，其运

3、动控制系统中的执巧机构可能发生各种故障，使得人员与设备的安全受到威胁。在面临故障时水下航巧器所采取的故障诊断和容错控制措施，对提高人员和设备的安全保障具有重要意义。国内外开展水下航巧器的故障诊断与容错控制研究已逾二十年，而较为系统解决执巧机构故障问题的研究方案尚少。鉴于此，本文开展常见回转体式和框体式无人水下航巧器ＵＵＶ执巧机构的故障诊断与容错控制研究，分别就ＵＵＶ运动控制（）系统线性与非线性动力学模型的故障估计与检测、回转体式和框体式ＵＵＶ运动控制系统执巧机构的故障定位与辨识、执巧机构发生故障但仍可控时的故障调节主动容错控制Ｗ及故障执巧机构存在冗余时

4、的控制重构主动容错控制等问题进巧深入的研究，提出相应的算法并进巧仿真实验。本文的主要研究内容如下：１研究模型控制输入的故障估计与检测问题，从ＵＵＶ运动控制系统的。首先（）线性与非线性动力学模型着手，设计加性和乘性故障描述因子Ｗ表征模型控制输入因执巧机构故障而发生的改变；并先后采用甘〇〇滤波估计算法、线性观测估计算法和连续离散无迹卡尔曼滤波估计算法，通过滤波器或者观测器实时获得线性动力学模型，结、状态全部可知Ｗ及部分可知的非线性动力学模型的故障描述因子估计。然后合故障描述因子的估计，设计故障检测函数，实时对比检测函数值与故障阀值实现故障检测。最后，通过仿

5、真实验验证模型控制输入故障估计与检测算法的有效性。２研究回转体式ＵＵＶ执巧机构的故障定位与辨识问题。针对回转体式ＵＵＶ（）姿态控制与动力推进两个子系统的舱面、舱机、螺旋奖和推进电机等机构，基于模型控制输入的故障估计与检测结果，结合传感器量测数据分析控制输入方程，在排除其它执巧机构故障的前提下，定位出当前执巧机构的故障，并通过解控制输入方＾程进步实现故障辨识。根据分析结果，采用仿真实验验证舱面形变故障定位方法的有效性。０）研究框体式ＵＵＶ执巧机构的故障定位与辨识问题。针对框体式ＵＵＶ通常配置的执巧机构推进器，通过分析控制矩阵提出推进器的冗余关系分析算法，

6、并给出框体式ＵＵＶ故障推进器定位与辨识的前提；基于模型控制输入的故障估计ｉ西化工业大学博壬学位论文无人水下航行器执行机构故障诊断与容错控制研究与检测结果，分别研究仅配置标量推进器与配置有矢量推进器的框体式ＵＵＶ故障推进器的定位与辨识问题根据Ｗ上分析过程，旧纳出框体式ＵＵＶ故障推进器的；定位与辨识算法。分别采用仅配置标量推进器和配置有矢量推进器的框体式ＵＵＶ，建立仿真实验，验证所提故障推进器定位与辨识算法的有效性。４基于执巧机构的故障诊断研究，解决执巧机构发生故障而ＵＵＶ却仍可控的（）容错控制问题。针对执巧机构发生故障却仍然可控的情形，提出故障调节容

7、错控制算法，通过调节反馈控制输入实现主动容错控制，并应用于舱面形变故障的主动容错控制分析。针对故障执巧机构存在配置冗余的情形，提出了无冗余约束的冗余补偿与有冗余约束的冗余规划容错控制算法，前者采用冗余执巧机构提供容错控制输入，后者从控制回路中删除故障执巧机构并重新规划运动控制输入。通过回转体式ＵＵＶ舱面形变故障和框体式ＵＵＶ推进器故障的容错控制仿真实验，分别验证故障调节与控制重构主动容错控制算法的有效性。关键词：无人水下航巧器，