潜艇故障诊断与自适应容错控制一体化设计

【摘要】潜艇作为现代海军力量的重要组成部分,在近代海战中扮演着重要角色。其隐蔽性好、威力大、战术机动性强,受到了世界各国海军的重视。随着潜艇的科技含量越来越高,潜艇的运行情况与任务计划也变得更加复杂,对潜艇的安全性提出了新的挑战。当潜艇在近海面运行时,由于海浪、水草等因素,与潜伏状态相比运行环境更为严峻。潜艇艏艉升降舵故障是主要的潜艇安全故障之一。如果不采取合适的控制方法,潜艇很容易被海浪吸出水面,以致露背暴露行踪。在现有的舰艇作战系统中,由于实时性、可靠性等特殊要求,通常采用基于硬件实现的冗余备份技术。但是硬件冗余备份成本高、体积大、质量重,在潜艇的很多地方都无法实施,对于一些不可预知的故障,特别是执行器故障,往往也无能为力。但是如果不采取硬件冗余备份,当潜艇出现故障时仍采用固有的控制器将是一个很危险的事情。集成故障诊断的自适应容错控制方法恰好能弥补硬件容错控制设计的缺点。文章选取在近海面运行的潜艇作为研究对象,研究了潜艇执行器出现故障时的容错控制问题。首先,考虑了在近水面航行时波浪对潜艇的干扰,对潜艇的六自由度运动模型进行简化,得到了潜艇近海面运行时垂直面的线性状态空间模型；然后,根据H∞状态反馈理论设计了潜艇H∞状态反馈控制器；最后,根据潜艇艏艉舵故障时的垂直面运动线性故障模型,设计了一个未知输入的状态观测器,将潜艇的外界干扰与执行器故障解耦,得到仅包含艏艉舵故障参数故障的观测器方程,设计了带射影限制的自适应故障参数跟踪律诊断故障参数,并利用得到的故障参数求解线性矩阵不等式,并设计自适应H∞状态反馈容错控制器。通过与H∞状态反馈设计相比,集成故障诊断与容错控制一体化对潜艇执行器故障时的容错性能更好,并且潜艇深度和纵倾角的控制作用也更加良好。
【作者】雷治国；
【导师】余臻；刘利军；
【作者基本信息】厦门大学，控制理论与控制工程，2014，硕士
【关键词】潜艇垂直面；近水面；H_∞鲁棒控制；故障诊断与容错控制；

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