调距桨螺距控制系统故障诊断与容错控制研究

摘要

调距桨具有良好的操作性能，能最大限度满足机-桨间的功能匹配。因此，调距桨及其配套的控制系统在各种工程船舶上得到了广泛的应用。螺距控制系统是调距桨的重要组成部分，螺距控制性能对动力装置的整体效率影响很大。该系统一旦发生故障，不仅影响船舶运营的经济性，甚至导致船舶主要动力装置的失效，对船舶正常航行造成严重影响。因此，切实保证螺距控制系统的可靠性和安全性至关重要。本文针对调距桨螺距控制系统在工程中的常见故障，开展了螺距控制系统的故障诊断与容错控制研究。
　　论文分析了螺距控制系统的典型故障，并建立了螺距控制系统的数学模型和故障解析模型，为故障检测与诊断提供模型依据。然后，针对典型螺距控制系统故障进行了故障检测，验证了算法的有效性。最后，在故障检测原理基础上，针对液压缸执行器故障和螺距位移传感器故障，分别提出了有效的容错控制策略，使系统达到在故障下也能正常运行的目的。
　　螺距控制系统典型故障集中在液压缸执行器和位移传感器，且故障具有多发性。论文针对液压缸故障、位移传感器故障等不同的故障现象进行了八组故障模拟试验，根据各组实验数据对比分析，将故障归纳为完全故障、恒增益故障和恒偏差故障三种形式，并给出了相应的解析模型。以MCP34-C/4调距桨螺距控制系统为实例，通过液压系统原理进行分析，对调距桨螺距控制系统进行了数学建模，通过对实验数据进行二项式曲线拟合确定了数学模型的参数。
　　针对典型螺距控制系统故障，给出了同时满足故障诊断快速性、鲁棒性和灵敏性要求的故障检测观测器设计方法。在多性能指标约束条件下，将故障检测问题转化为线性矩阵不等式的可行性问题。分析了各性能指标的取值范围，给出了故障检测观测器的设计方法，获得了螺距控制系统的LMI内部描述，最后使用LMI工具箱中的求解器求解获得故障检测观测器。其特点是同时满足三种不同指标的要求，更加符合实际工程需求。
　　针对液压缸执行器故障，将故障诊断观测器和输出反馈容错控制相结合，提出了基于故障诊断观测器的输出反馈容错控制算法。此方法有效避免了基于观测器的状态反馈控制器的设计难点。在控制过程中，通过设计的故障诊断观测器实时估计出故障，容错控制器对故障信号进行补偿控制。将容错控制器设计问题转化为线性矩阵不等式的可行性问题，利用LMI工具箱中的求解器求解获得容错控制器。
　　针对螺距位移传感器故障，提出一种基于观测器的被动容错控制器设计方法。利用Riccati方程不等式，保证系统的稳定性能，利用Lyapunov函数来证明稳定性的条件，联立Riccati方程不等式和稳定性条件，利用LMI工具箱中的求解器求解得出控制器，得到设计的控制器。
　　综上所述，本文提出的基于观测器的故障检测方法可以在线检测执行器故障和传感器故障，基于故障诊断观测器的输出反馈容错控制和基于观测器的被动容错控制方案能够恢复控制系统性能。为了验证其故障诊断与容错控制方法的实用价值，将提出的理论应用到MCP34-C/4调距桨螺距控制系统。计算机仿真实验和实验数据表明数学模型和故障解析模型比较准确，故障检测方法和容错控制方法提高了控制系统的稳定性和可靠性，对其它控制系统可靠性和安全性等研究具有一定的理论参考价值。

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第一章 绪论

1.1课题背景与研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究内容

第二章 螺距控制系统及故障分析

2.1 控制系统的组成和控制过程

2.2 螺距控制系统分析

2.3 典型故障分析

2.4 本章小结

第三章 螺距控制系统的故障检测

3.1 故障检测观测器设计

3.2 螺距控制系统故障仿真

3.3 本章小结

第四章 液压缸执行器故障的主动容错控制

4.1 主动容错控制

4.2 液压缸执行器故障仿真研究

4.3 本章小结

第五章 位移传感器故障的被动容错控制

5.1 被动容错控制

5.2 位移传感器故障仿真研究

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

在学研究成果

致谢