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原文传递基于不确定模型的船舶舵机电液伺服系统故障诊断研究

论文题名：	基于不确定模型的船舶舵机电液伺服系统故障诊断研究
关键词：	船舶舵机;电液伺服系统;故障诊断;不确定模型
摘要：	舵机电液伺服系统对于控制船舶运行，保持航向起着重要的作用，其安全性可靠性向来备受关注。船舶出海一次具有时间长，航海环境复杂多变的特点，因此舵机电液伺服系统在运行中经常受到许多难以准确测量的未知时变干扰力，如作用在舵叶上的水作用力，舵机各构件产生的摩擦力和其它作用力，再加上系统固有的非线性和参数不确定性等，给舵机电液伺服系统的故障诊断带来挑战，以往基于确定模型的故障诊断方法已不适用。本论文针对一类常用的船舶舵机电液伺服系统，研究了在其不确定条件下进行有效故障诊断的策略，实现了多类故障的检测、隔离和重构。这些研究为船舶舵机电液伺服系统的在线自动故障诊断提供支撑，具有广泛的实际应用前景和重要的学术研究价值。　　针对船舶舵机电液伺服系统的固有非线性、参数不确定性以及运行时受到时变外干扰力的问题，本文提出了一种不确定扰动下舵机电液伺服系统干扰完全解耦的故障诊断方法。创新之处是，与现有方法相比，该方法不需要对粘性阻尼、摩擦、外载荷力等难以准确获得的不确定干扰因素进行测量或估计，也不需要对上述干扰做有界的假设，通过合理配置原系统观测模型的参数矩阵，即可在不牺牲对故障的敏感性下实现对干扰的完全解耦。仿真和实验结果均表明不同外干扰力下，故障诊断的结果完全不受影响，之前采用干扰估计的方法下不能完全得到诊断的六种故障在本文所提方法下能够全部得到有效诊断。在前述干扰解耦故障诊断的策略上，提出了一种考虑传感器故障的多观测模型同步协作式故障隔离方法。该方法不仅考虑了舵机电液伺服系统内的多种故障，还将为进行故障诊断而添加的传感器故障考虑进来，针对一类故障设计一个特定的观测模型，通过所有观测模型的同步运行和协作判断，解决了时变干扰下多种故障类别的在线辨识问题。之后，提出了一种舵机电液伺服系统故障和干扰同时精确重构策略。与之前依靠特征信号的间接故障诊断相比，该方法实现了故障的直接诊断，更利于早期缓变故障的发现。实验结果表明，各种故障均能得到有效隔离，且故障重构误差在±5％内。此外，针对舵机电液伺服系统故障诊断实时和经济的要求，一方面提出了一种兼顾限制条件的有效解快速获取优化算法，另一方面提出了一种带分段权重的在线自适应阈值的计算方法，可节省存储空间，提高计算效率。在此基础上研发了船舶舵机电液伺服系统在线故障诊断软件平台，在硬件上仅需添加两个普通压力传感器即可，便于工程实现且经济成本低。实验结果表明所有故障均可在发生后1s内得到诊断，符合实时性要求。　　论文的主要结构如下: 　　第一章，概述了船舶舵机电液伺服系统及常见故障，详细阐述基于模型的故障诊断和电液伺服系统故障诊断的研究现状及发展趋势。在此基础上，确立了船舶舵机电液伺服系统故障诊断的初步策略，最后介绍了本课题的主要研究内容。　　第二章，对船舶舵机电液伺服系统及其常见故障进行数学建模，并对模型的不确定性进行分析，通过相关仿真和实验研究，确立了基于不确定模型的故障诊断的思路。介绍了系统的仿真与实验平台并对不同故障进行了模拟，初步分析了各类故障特征，为下步故障诊断方法的确立提供依据。　　第三章，针对船舶舵机电液伺服系统，提出了一种不确定扰动下干扰完全解耦故障诊断方法，并采用确定模型下的故障诊断方法进行对比，论述了相应的算法和详细的设计步骤，根据实际需要设计了带分段权重的自适应阈值协助故障决策。仿真与实验对比研究了两种故障检测方法在正常状态的表现、对干扰的鲁棒性以及对各种故障的检测效果，并得出相应的结论。　　第四章，针对舵机电液伺服系统及为诊断而添加传感器中的故障，提出了一种多观测模型同步协作式故障隔离方法，阐述了多观测模型的选取原则和过程，并提出了兼顾限制条件的有效解快速获取优化算法，在此基础上建立了舵机电液伺服系统在线故障诊断方案，最后通过仿真和实验检验了故障隔离方案的效果。　　第五章，根据已设计的观测模型的结构特点以及对干扰的良好鲁棒性，提出了一种舵机电液伺服系统故障和干扰同时精确重构策略，针对之前讨论的系统中的多类故障，逐一制定故障及干扰的重构方案及计算步骤，通过仿真和实验验证了所提出的重构方案的有效性。　　第六章，对本文的主要研究工作和结论进行了总结归纳，阐述了本文的创新点，并对下步工作进行了展望。
作者：	徐巧宁
专业：	机械电子工程
导师：	杨华勇;周华;李国民
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文