專利名稱：一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)故障檢測裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)，屬于無纜深潛器航跡跟蹤控制及故障檢測技術(shù)領(lǐng)域。同時本發(fā)明公開了其故障檢測方法。
背景技術(shù)：
深潛器是具有水下觀察和作業(yè)能力的活動深潛水裝置，主要用來執(zhí)行水下考察、海底勘探、海底開發(fā)和打撈、救生等任務(wù)。與有纜深潛器相比，無纜深潛器具有更強的機動能力，更便于執(zhí)行反水雷、沿海地區(qū)潛艇跟蹤以及情報、監(jiān)視和偵察任務(wù)等。無纜深潛器航跡跟蹤控制是指通過操舵儀，使得無纜深潛器的航跡跟蹤設(shè)定軌跡。無纜深潛器在巡航過程中不可避免地會受到洋流等的影響；各種信號通過無線網(wǎng)絡(luò)在水中傳輸時容易受到無線電或其他信號的干擾，且信號在水中傳輸時會有較大幅度的衰減或漂移。因此，如何實現(xiàn)無纜深潛器航跡的精確跟蹤控制，提高無纜深潛器巡航的安全性及工作效率是一個十分有價·值的問題。在對無纜深潛器的航跡進行控制的過程中，航跡、航向偏差以及舵角反饋信息傳輸至舵角控制器，而舵角控制器與操舵儀發(fā)出的信號經(jīng)控制信號接收裝置最終傳輸至舵機，舵機通過舵桿控制舵實現(xiàn)航向調(diào)整，并最終使得實際航跡較好地跟蹤設(shè)定航跡。在航跡跟蹤控制過程中，如果航跡控制器、舵角控制器、控制信號接收裝置出現(xiàn)階躍型、斜坡型故障，或者舵機出現(xiàn)卡死型故障，則不能實現(xiàn)無纜深潛器航向的精確控制，從而影響到航跡跟蹤控制的效果。因此，當(dāng)無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，如何及時檢測故障的發(fā)生并采取措施消除故障是有重要意義的。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提供一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)故障檢測裝置和方法，實現(xiàn)對無纜深潛器航跡跟蹤控制過程精確、快捷的故障檢測。本發(fā)明通過如下技術(shù)手段加以實現(xiàn)一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)故障檢測裝置，系統(tǒng)由GPS接收天線、GPS接收裝置、電羅經(jīng)、舵角反饋裝置、航跡控制器、舵角控制器、航跡跟蹤參考模型、控制信號接收裝置、操舵儀、舵機、舵、故障檢測濾波器、參考殘差模型、殘差信號分析裝置、故障報警裝置組成。航跡跟蹤參考模型生成設(shè)定航跡；GPS接收裝置接收GPS輸出的無纜深潛器實際航跡信息，并計算設(shè)定航跡與實際航跡之間的偏差；電羅經(jīng)自動、連續(xù)地提供無纜深潛器的航向信號，計算設(shè)定航向與實際航向之間的偏差，且航跡偏差與航向偏差傳到航跡控制器；航跡控制器根據(jù)無纜深潛器的航跡、航向偏差，無纜深潛器航跡狀態(tài)以及航跡跟蹤參考模型狀態(tài)生成控制輸入，并將相應(yīng)的控制輸入傳到舵角控制器；舵角反饋裝置檢測并反饋舵角信號，航跡控制器所生成的控制輸入、航跡偏差、航向偏差、舵角反饋信號傳輸至舵角控制器，舵角控制器發(fā)送控制輸入至控制信號接收裝置；舵機通過舵桿與舵連接，操舵儀通過Profibus現(xiàn)場總線將控制輸入傳輸至控制信號接收裝置?？刂菩盘柦邮昭b置既可以接收舵角控制器的信號，又可以接收操舵儀的控制信號，并根據(jù)收到的信號控制轉(zhuǎn)舵。參考殘差模型用于設(shè)計故障檢測濾波器；故障檢測濾波器生成殘差信號；故障報警裝置安裝在操舵儀上；殘差信號分析裝置計算并比較殘差評價函數(shù)與給定閾值的大小。所述的航跡跟蹤參考模型為xk_t] =Jxt +4. = Hxk,其中4、yk、tk分別為航跡跟蹤參考模型狀態(tài)、航跡跟蹤參考模型輸出及航跡跟蹤參考模型輸入，J、H為具有與. 、Λ相匹配維數(shù)的實數(shù)矩陣，k為自然數(shù)或零；設(shè)置航跡狀態(tài)方程為Xw=AXfBufE1 ω k+E2fk·
yk=Cxk,其中&、％、《11、4、)^分別為無纜深潛器航跡的狀態(tài)值，控制輸入，外部擾動，故障，無纜深潛器航跡的量測輸出值，A、B、C、Ep E2為具有與xk、uk, ω k、fk、yk相匹配維數(shù)的實數(shù)矩陣。一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)的故障檢測方法，包括如下步驟I)通過故障檢測濾波器狀態(tài)方程
_7] 4+i =+BiKyk+(I言 4 ]rk = Cik及參考殘差模型-Thl — AfrXk + BwJ tJk =CnJk+DlJk設(shè)計故障檢測濾波器并計算殘差信號；其中，λ k的值為I或O, pm彡pk彡pM, dm彡dk彡dM, pm, pM, dm, dM為正整數(shù)。2)構(gòu)造殘差評價函數(shù)IMI., =J=W1并取取殘差評價函數(shù)閾值為
J Y 斤........^
Λ ......SLipiIHIri
h r*3)殘差信號分析裝置比較I |r| |τ與Jth的值，若當(dāng)I |r| IT>Jth時，殘差信號分析裝置將相應(yīng)的信息傳輸?shù)讲俣鎯x上的故障報警裝置；當(dāng)I |r| It < Jth，殘差信號分析裝置繼續(xù)計算I Irl It的值，并比較I Irl It與Jth的大小關(guān)系;其中分別為故障檢測濾波器的狀態(tài)及殘差信號；分別為參考殘差模型狀態(tài)及參考殘差模型輸出，^,("^ 、8 、(；、0 為具有與^,71;，1'1;，x fk, 相匹配維數(shù)的實數(shù)矩陣，t1； t2為自然數(shù)或零，且本發(fā)明在以一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)故障檢測裝置和方法為背景的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置GPS接收裝置、航跡控制器、舵角控制器、故障檢測濾波器、參考殘差模型、殘差信號分析裝置、故障報警裝置等，并通過合理連接各物理設(shè)備，實現(xiàn)對無纜深潛器航跡跟蹤控制過程中的故障檢測。本發(fā)明中用于故障檢測的硬件連接關(guān)系簡單，故障檢測快捷有效、易于推廣，可改善無纜深潛器對設(shè)定航跡的跟蹤能力，具有實際應(yīng)用和推廣價值。


圖I是本發(fā)明的航跡跟蹤控制系統(tǒng)硬件連接及信號傳遞關(guān)系圖。圖2是本發(fā)明的故障檢測、報警裝置硬件連接及信號傳遞關(guān)系圖。其中實線表示硬件之間的連接關(guān)系，帶箭頭的虛線表示信號傳遞方向。
具體實施例方式本發(fā)明所述一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)故障檢測裝置，由航跡跟蹤控制模塊和故障檢測模塊組成，航跡跟蹤控制模塊包含GPS接收天線、GPS接收裝置、電羅經(jīng)、舵角反饋裝置、航跡控制器、舵角控制器、航跡跟蹤參考模型、控制信號接收裝置、操舵儀、舵機、舵等裝置，故障檢測模塊包含故障檢測濾波器、參考殘差模型、殘差信號分析裝置、故障報 警裝置等。航跡控制器、舵角控制器生成控制輸入，以使得無纜深潛器實際航跡跟蹤設(shè)定航跡；殘差信號分析裝置計算并比較殘差評價函數(shù)與給定閾值的大小，當(dāng)殘差評價函數(shù)的值大于給定閾值時，故障報警裝置閃爍并發(fā)出報警聲音。本發(fā)明按照附圖I中的連接方式對航跡跟蹤控制模塊中的各裝置進行硬件連接。操舵儀安裝在駕駛艙，且可根據(jù)航向、航跡及舵角偏差情況經(jīng)控制信號接收裝置傳輸信號至舵機，并由舵機控制轉(zhuǎn)舵以達到調(diào)整航向的目的。航跡跟蹤參考模型生成設(shè)定航跡，GPS接收裝置每隔m(0. 5<m<3)秒自動接收無纜深潛器的航跡信息，并計算設(shè)定航跡與實際航跡之間的偏差；電羅經(jīng)以采樣周期n(0. 5〈n〈3)對無纜深潛器航向進行采樣，計算設(shè)定航向與實際航向之間的偏差；航跡偏差與航向偏差傳到航跡控制器，航跡控制器根據(jù)航跡偏差與航向偏差生成控制信號。航跡、航向偏差及舵角反饋裝置所反饋的舵角信號傳到舵角控制器，且舵角控制器構(gòu)建相應(yīng)的控制輸入并傳輸至一個零階保持器，即控制信號接收裝置?？刂菩盘柦邮昭b置既可以接收舵角控制器的控制信號，又可以接收操舵儀的控制信號，且將最近收到的控制信號傳輸至舵機。舵機根據(jù)收到的信號控制轉(zhuǎn)舵，達到調(diào)整航向的目的，進而保證較好的航跡跟蹤控制效果。如果航跡控制器及舵角控制器發(fā)生故障，或者舵機出現(xiàn)卡死型故障，則航跡控制器及舵角控制器所生成的控制輸入中會包含故障信號，且故障信號最終體現(xiàn)在殘差信號中。按附圖2中的方式對故障檢測模塊中各硬件進行連接。對于離散時間無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)，設(shè)無纜深潛器航跡狀態(tài)方程、故障檢測濾波器狀態(tài)方程、航跡跟蹤參考模型、參考殘差模型分別如公式(I)、(2)、(3)、(4)所示，Xw=AXfBufE1 ω k+E2fk(I)yk=Cxk,4+l = Axk + h{ljk + (I — 4 )yk Pi 4 ]( 2)rk 二Xk.f =Jxk +4(3)I* = ,,Xm =AfrXk+BnJk(A)Jk =()rxt+Dirfk
其中xk，uk,cok，fk，yk, .TA,rk, Xts tk, J·,, ;分別為無纜深潛器航跡的狀態(tài)值,控制輸入，外部擾動，故障，無纜深潛器航跡的量測輸出值，故障檢測濾波器狀態(tài)，殘差信號，航跡跟蹤參考模型狀態(tài)，航跡跟蹤參考模型輸入，航跡跟蹤參考模型輸出，參考殘差模型狀態(tài)及參考殘差模型輸出；公式(1-4)中的各常數(shù)矩陣可根據(jù)航向角、舵角及深潛器轉(zhuǎn)首角速度等參數(shù)計算得到，具體來說，是與上述變量具有相匹配維數(shù)的實數(shù)矩陣。由無纜深潛器航跡的狀態(tài)值、故障檢測濾波器狀態(tài)、航跡跟蹤參考模型狀態(tài)、參考殘差模型狀態(tài)構(gòu)建擴展?fàn)顟B(tài)向量及擴展閉環(huán)系統(tǒng)，利用李亞普諾夫方法、線性矩陣不等式設(shè)計系統(tǒng)的航跡跟蹤控制器及故障檢測濾波器增益。在處理航跡 跟蹤控制器及故障檢測濾波器設(shè)計時，一方面要使得無纜深潛器航跡的量測輸出值與航跡跟蹤參考模型的量測輸出值之間的誤差jv++-Λ.盡可能的小，另一方面要使得殘差信號與參考殘差模型輸出之間的誤差4-又盡可能的小，此時采用雙目標優(yōu)化方法，即使得a(yk -γ,) + ( -aHri -又)的值最小，其中a e [O, I]。利用數(shù)學(xué)中的凸分析方法可以很容易地求取-爲(wèi))+.(1-α)(η. -. )的最小值。當(dāng)設(shè)計完成航跡跟蹤控制器及故障檢測濾波器增益后，可以根據(jù)公式(2)計算殘差信號，殘差信號分析裝置根據(jù)計算所得到的殘差信號，構(gòu)造殘差評價函數(shù)
II r Ir= J Σ r: rk, T=Wl，且取殘差評價函數(shù)閾值為Jll, = sup II f' Hr =殘差信號分析裝
/ A、fk O
置比較I Irl It與Jth的值，當(dāng)I Irl |T>時，則故障發(fā)生，且殘差信號分析裝置將相應(yīng)的信息傳輸?shù)讲俣鎯x上的故障報警裝置，并通過紅燈閃爍及聲音提示用戶故障的發(fā)生；當(dāng)Irl |T< Jth，沒有故障發(fā)生，則殘差信號分析裝置繼續(xù)計算I Irl It的值，并比較I Irl It與Jth的大小關(guān)系。本發(fā)明中一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)故障檢測裝置和方法的特點是可以快速檢測無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)中的故障，使用簡單方便。本發(fā)明快捷有效、硬件連接關(guān)系簡單且易于推廣，便于實現(xiàn)無纜深潛器航跡跟蹤控制及故障檢測，從而改善無纜深潛器巡航的安全性及對設(shè)定航跡的跟蹤能力，具有實際應(yīng)用和推廣價值。
權(quán)利要求
1.一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)的故障檢測裝置，其特征在于系統(tǒng)由GPS接收天線、GPS接收裝置、電羅經(jīng)、舵角反饋裝置、航跡控制器、舵角控制器、航跡跟蹤參考模型、控制信號接收裝置、操舵儀、舵機、舵、故障檢測濾波器、參考殘差模型、殘差信號分析裝置、故障報警裝置組成。舵機通過舵桿與舵連接，故障報警裝置安裝在操舵儀上；航跡控制器、舵角控制器、控制信號接收裝置、操舵儀依次連接，電羅經(jīng)與GPS接收裝置連接后連接航跡控制器及操舵儀，GPS接收天線連接到GPS接收裝置的天線輸入端。航跡跟蹤參考模型生成設(shè)定航跡；GPS接收裝置接收GPS輸出的無纜深潛器實際航跡信息，并計算設(shè)定航跡與實際航跡之間的偏差；電羅經(jīng)計算設(shè)定航向與實際航向之間的偏差，將航跡偏差與航向偏差傳到航跡控制器；航跡控制器生成控制輸入，并將相應(yīng)的控制輸入傳到舵角控制器；舵角反饋裝置檢測并反饋舵角信號；舵角控制器根據(jù)舵角信號等生成控制輸入，并發(fā)送控制輸入至控制信號接收裝置；控制信號接收裝置根據(jù)收到的信號控制轉(zhuǎn)舵。參考殘差模型用于設(shè)計故障檢測濾波器；故障檢測濾波器生成殘差信號；殘差信號分析裝置計算并比較殘差評價函數(shù)與給定閾值的大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)的故障檢測裝置，其特征在于所述的航跡跟蹤參考模型為
3.一種根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)的故障檢測方法，其特征在于包括如下步驟 1)通過故障檢測濾波器狀態(tài)方程
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)故障檢測裝置，所述系統(tǒng)由GPS接收天線、GPS接收裝置、電羅經(jīng)、舵角反饋裝置、航跡控制器、舵角控制器、航跡跟蹤參考模型、控制信號接收裝置、操舵儀、舵機、舵、故障檢測濾波器、參考殘差模型、殘差信號分析裝置、故障報警裝置組成。本發(fā)明同時給出了該檢測裝置檢測故障的方法。本發(fā)明可以方便快捷地實現(xiàn)無纜深潛器航跡跟蹤控制系統(tǒng)的故障檢測，為無纜深潛器巡航的可操縱性和安全性提供保障，具有實際應(yīng)用和推廣價值。
文檔編號G05B23/02GK102778888SQ20121023923
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月11日
發(fā)明者劉維亭, 尚婕, 張大偉, 李春華, 杜昭平, 楊奕飛, 王天寶, 王玉龍 申請人:江蘇科技大學(xué)