船姿船位測(cè)量系統(tǒng)故障檢測(cè)及重構(gòu)方法研究.pdf

1、近年來隨著海上作業(yè)船舶需求量的增加及要求的不斷提高,動(dòng)力定位系統(tǒng)(Dynamic Positioning System,簡(jiǎn)稱DPS)作為重要的海上作業(yè)支持系統(tǒng),其定位的精確性和穩(wěn)定性要求也越來越高,現(xiàn)已由DP-1發(fā)展到DP-3系統(tǒng)。為了滿足船舶控制對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和環(huán)境信息感知的高可靠性要求,DP-3系統(tǒng)冗余配置測(cè)量傳感器,獲取船舶位置及姿態(tài)信息。動(dòng)力定位系統(tǒng)經(jīng)常處于惡劣海況下長期從事特種作業(yè),故傳感器測(cè)量信息易受到風(fēng)、浪、流等外界環(huán)境干擾而

2、產(chǎn)生故障。一旦傳感器發(fā)生故障,將會(huì)給控制系統(tǒng)后續(xù)的監(jiān)測(cè)、控制產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,因此如何在傳感器發(fā)生故障的情況下使動(dòng)力定位船舶能夠達(dá)到或接近預(yù)期的控制目標(biāo)而避免發(fā)生海上事故成為一個(gè)重要的研究課題。本文以提高傳感器測(cè)量信息的精度、改善船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的性能為出發(fā)點(diǎn),在傳感器故障檢測(cè)理論的基礎(chǔ)上,對(duì)傳感器子系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè),建立不同的冗余測(cè)量系統(tǒng),對(duì)通過故障檢測(cè)的子系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)進(jìn)行多級(jí)分層數(shù)據(jù)融合,實(shí)現(xiàn)多傳感器系統(tǒng)重構(gòu),保障DP-3系統(tǒng)的

3、安全運(yùn)行。
　　本文介紹了動(dòng)力定位系統(tǒng)中常見的船姿船位測(cè)量系統(tǒng),建立船舶運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及艏向和位置傳感器的測(cè)量方程,并仿真驗(yàn)證建模的正確性,為論文的后續(xù)研究提供必要條件。
　　用于故障檢測(cè)的方法有很多,本文利用基于解析模型的狀態(tài)估計(jì)法進(jìn)行船舶動(dòng)力定位傳感器測(cè)量系統(tǒng)的故障檢測(cè),殘差對(duì)故障的靈敏度決定了該算法的檢測(cè)性能。為了構(gòu)造更為準(zhǔn)確的殘差,本文采用基于卡爾曼濾波和無跡卡爾曼濾波的狀態(tài)估計(jì)濾波器法進(jìn)行艏向和位置的狀態(tài)估計(jì)。由于殘差

4、χ2檢驗(yàn)法對(duì)漸變性故障靈敏度較低,本文提出一種的改進(jìn)殘差χ2檢驗(yàn)法用于DP系統(tǒng)傳感器的漸變性故障檢測(cè),并仿真驗(yàn)證該算法對(duì)突發(fā)性故障和漸變性故障均有較高的靈敏度,可進(jìn)一步提高動(dòng)力定位系統(tǒng)的精度和可靠性。
　　為充分利用各傳感器子系統(tǒng)提供的測(cè)量信息,需要科學(xué)合理的分配多傳感器資源。本文采用多級(jí)分層數(shù)據(jù)融合算法,利用不同濾波狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分層融合,對(duì)分層狀態(tài)估計(jì)再次進(jìn)行融合,提高融合精度。結(jié)合故障檢測(cè)切換控制開關(guān),實(shí)時(shí)的隔離和恢復(fù)參與融合