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船姿船位测量系统故障检测及重构方法研究
| 论文题名： | 船姿船位测量系统故障检测及重构方法研究 |
| 关键词： | 动力定位;船姿船位测量;故障检测;系统重构 |
| 摘要： | 近年来随着海上作业船舶需求量的增加及要求的不断提高,动力定位系统(Dynamic Positioning System,简称DPS)作为重要的海上作业支持系统,其定位的精确性和稳定性要求也越来越高,现已由DP-1发展到DP-3系统。为了满足船舶控制对运动状态和环境信息感知的高可靠性要求,DP-3系统冗余配置测量传感器,获取船舶位置及姿态信息。动力定位系统经常处于恶劣海况下长期从事特种作业,故传感器测量信息易受到风、浪、流等外界环境干扰而产生故障。一旦传感器发生故障,将会给控制系统后续的监测、控制产生严重的影响,因此如何在传感器发生故障的情况下使动力定位船舶能够达到或接近预期的控制目标而避免发生海上事故成为一个重要的研究课题。本文以提高传感器测量信息的精度、改善船舶动力定位控制系统的性能为出发点,在传感器故障检测理论的基础上,对传感器子系统进行故障检测,建立不同的冗余测量系统,对通过故障检测的子系统的状态估计进行多级分层数据融合,实现多传感器系统重构,保障DP-3系统的安全运行。 本文介绍了动力定位系统中常见的船姿船位测量系统,建立船舶运动学模型及艏向和位置传感器的测量方程,并仿真验证建模的正确性,为论文的后续研究提供必要条件。 用于故障检测的方法有很多,本文利用基于解析模型的状态估计法进行船舶动力定位传感器测量系统的故障检测,残差对故障的灵敏度决定了该算法的检测性能。为了构造更为准确的残差,本文采用基于卡尔曼滤波和无迹卡尔曼滤波的状态估计滤波器法进行艏向和位置的状态估计。由于残差χ2检验法对渐变性故障灵敏度较低,本文提出一种的改进残差χ2检验法用于DP系统传感器的渐变性故障检测,并仿真验证该算法对突发性故障和渐变性故障均有较高的灵敏度,可进一步提高动力定位系统的精度和可靠性。 为充分利用各传感器子系统提供的测量信息,需要科学合理的分配多传感器资源。本文采用多级分层数据融合算法,利用不同滤波状态参数进行分层融合,对分层状态估计再次进行融合,提高融合精度。结合故障检测切换控制开关,实时的隔离和恢复参与融合的子系统,建立不同的融合体系实现系统重构。本文同时研究了系统存在野值时的故障检测和系统重构方法,以达到最优的多传感器结构模式,建立完整的动力定位系统的船姿船位信息处理系统。仿真验证故障存在情况下通过系统重构,系统仍具有较高的定位精度。综上,本文提出故障检测及重构算法是切实可行的,提升了船舶控制系统的容错性,保证了动力定位系统的安全性、可靠性及整体精度,具有理论和实际意义。 |
| 作者： | 崔梦莹 |
| 专业： | 控制理论与控制工程 |
| 导师： | 林孝工 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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