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基于数据驱动的船舶横向运动故障诊断与容错控制
| 论文题名： | 基于数据驱动的船舶横向运动故障诊断与容错控制 |
| 关键词： | 船舶横向运动系统;故障诊断;数据驱动;容错控制;残差整定 |
| 摘要： | 目前，随着人们对海洋装备的重视，船舶横向运动系统有了更加广泛的应用。由于在海面上船舶会受到各种因素的干扰，使船舶运动变得比较复杂，使得人们对船舶横向运动系统的可靠性与安全性也有了更高的要求。而保证船舶系统能够可靠运行的关键技术就是能够有效的进行故障诊断与容错控制。现在存在许多大型系统都无法依靠传统方法建立精确的数学模型，但又能时刻产生大量反映运行过程与运行状态的数据。基于实际限制、成本优化等因素的考虑，如何充分利用这些大量的数据来满足日益提高的系统可靠性要求成为十分重要的问题，其中基于数据驱动的故障诊断技术是一个重要的方面。 本文针对船舶横向运动系统从理论上研究基于数据驱动的故障诊断与容错控制方法，该方法主要是利用离线数据直接辨识等价空间及向量，进而构建残差信号，实现对船舶横向运动系统的异常状况的故障诊断。并在已辨识的等价空间基础上，进一步通过数据驱动方法设计故障诊断/观测器/控制器的联合框架，其主要内容包括：设计全维状态观测器，它包含有多个残差通道，该通道个数与系统输出维数是一致的，它能够对系统状态进行估计，并能提高系统的故障诊断能力；在该基础上设计 Youla参数控制器，并通过调节参数矩阵实现对所设计的控制器达到优化的目的，为后续设计故障容错控制框架做好了准备，其中，在对参数矩阵进行设计时采用的是残差整定法。该方法是以残差数据为基础，直接对二次性能指标函数的梯度值进行估计，运用梯度下降法实现对闭环系统性能的优化。 最后以所设计的控制框架为基础提出控制重构的方法，用以完成基于数据驱动的容错控制，该重构方法是以残差数据为基础，又称为残差迭代反馈整定法。该方法是对闭环系统进行若干次的实验，估算出二次性能指标函数的梯度值，从而实现容错控制。残差迭代反馈整定法是一种实验类型的方法，在未知系统的故障信息的情况下，通过残差数据实现对控制系统的参数进行调节，因此属于数据驱动。针对船舶横向运动系统中执行器发生乘性故障，运用残差迭代反馈整定法设计容错控制器。运用数据驱动方法设计的残差生成器不仅能够及时实现故障诊断功能，而且能够根据残差曲线类型判断出不同的故障类型，针对执行器设计的容错控制器也使系统达到了很好的性能指标，能够及时恢复至期望值。 |
| 作者： | 孙春芝 |
| 专业： | 系统工程 |
| 导师： | 彭秀艳 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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