一种基于虚拟传感器的气垫船传感器故障处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于气垫船故障处理领域，尤其涉及一种基于虚拟传感器的气垫船传感器 故障处理方法。
【背景技术】
[0002] 海洋蕴含着极其丰富的自然资源，人类一直以来都致力于海洋资源的开发和利 用，船舶是一切与海洋相关活动的必然选择。随着科技的迅猛发展，普通船舶的性能已经远 不能满足需求，因此高速船应运而生。气垫船是一种能够实现高速航行的特殊新型现代船 舶，其航行是阻力小，航行速度可达200km/h。研究高性能气垫船对于提高航海运输能力具 有重大意义。然而早期的气垫船操控方式均为人工操控方式，由于气垫船航行时的稳定性 较差，采用驾驶员人工操控时，不仅工作量繁重，而且不易实现良好的控制效果，一旦操纵 不当，会造成船的高速回转与侧滑，使船处于危险的航行状态。尤其是当传感器发生故障 时，如果驾驶员无法及时的判断故障并进行及时合理的操控，很容易造成翻船等严重事故， 无法继续完成预设的各项工作任务。
[0003] 为了提高气垫船的操控水平、降低操纵难度、减轻驾驶人员的工作强度、提高作业 性能，美、俄、英等国家相继开发研制了气垫船综合驾控系统。美国的LCAC等气垫船均装备 了具有协调控制方式的自动驾控系统。俄罗斯在气垫船控制系统方面有丰富的理论及实际 经验，20世纪90年代开发出了"黄橄榄石-32M"型气垫船协调运动控制系统，该型气垫船 协调运动控制系统已经装备在"欧洲野牛号"大型气垫登陆艇上。但以上系统均没有考虑 发生传感器故障后的容错控制，也没有见到相关的公开文献。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种能够提高气垫船安全性能和作业能力，的基于虚拟传感 器的气垫船传感器故障处理方法。
[0005] -种基于虚拟传感器的气垫船传感器故障处理方法，包括以下步骤，
[0006] 步骤一：传感器测量气垫船的位置和艏向信息；
[0007] 步骤二：判断传感器是否发生故障，如果没有发生故障，将传感器的当前测量信息 传送给控制器；
[0008] 如果发生故障，利用虚拟传感器对当前测量信息进行重构，将重构后的测量信息 传送给控制器；
[0009] 步骤三：控制器根据接收的测量信息与期望信息的偏差，采用鲁棒滑膜控制方法， 得到控制指令传送执行机构。
[0010] 本发明一种基于虚拟传感器的气垫船传感器故障处理方法，还可以包括：
[0011] 虚拟传感器为：
[0012]
[0013] Av=A-LCf，Bv=B，Cv=C-PCf
[0014] 并且，气垫船模型的状态空间形式为：
[0015]
[0016] 其中，状态变量X= 系(切人_，孙W/，/]，uc(t)和yc(t)分别为输入向量和 输出向量，A为状态矩阵，B和C分别为输入矩阵和输出矩阵，F(x,t)为所有非线性及不确 定部分和外界扰动；
[0017] 传感器发生故障后气垫船模型的状态空间形式为：
[0018]
[0019] 其中，状态变量分心，表示故障船舶的位 置及速度信息，uf(t)和yf(t)分别为故障系统的输入向量和输出向量，Cf为传感器故障后 系统新的输出矩阵，F(xf，t)表示故障模型中所有的非线性及不确定部分和外界扰动。
[0020] 有益效果：
[0021] 气垫船航行过程中出现传感器故障后，系统中的标称控制器将无法继续保持系统 的正常运行，为了恢复正常运行，必须采用新的控制信号来完成控制任务。而一旦选择了新 的控制结构，就必须找到新的控制器参数，但是控制器的设计是一个长时间的调试、测试过 程，因此在故障发生后，无法在线完成重新设计。本发明针对气垫船传感器故障情况，在故 障设备与标称控制器之间设计合适的虚拟传感器来重构被控对象，使得重构后的设备输出 扔然保持正常设备的特征，即符合标称控制器的要求，从而无需进行标称控制器的重新调 整和重构。虚拟传感器的作用与故障传感器一致，取代原传感器故障产生的影响，有效提高 安全性能和作业能力。
【附图说明】
[0022] 图1气垫船传感器故障后的处理方法原理框图；
[0023] 图2基于虚拟传感器的气垫船传感器故障处理方法流程图；
[0024] 图3利用虚拟传感器重构故障装置结构图。
【具体实施方式】
[0025] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0026] 本发明提出了一种气垫船传感器故障后的处理方法，目的在于实现气垫船传感器 故障后的应急控制，有效提尚安全性能和作业能力。
[0027] 本发明所提出的基于虚拟传感器的气垫船传感器故障处理方法原理如图1所示， 过程如下：
[0028] 1.标称控制器根据当前位置与目标位置之间的偏差产生标称控制信号进行气垫 船运动控制；
[0029] 2.执行器根据标称控制信号完成作业任务，并由故障传感器测得错误的位置信 息；
[0030] 3.虚拟传感器重构故障传感器的测量信息，得到满足标称控制器的测量信息，从 而无需进行标称控制器的重新调整和重构。
[0031] 基于虚拟传感器控制重构策略的气垫船传感器故障处理方法通过虚拟传感器实 现对故障船舶的重构，通过虚拟传感器的状态来重构故障后的船舶控制回路。虚拟传感器 重构策略是本方法的核心关键，采用鲁棒滑膜控制方法。
[0032] 本发明公开了一种气垫船传感器故障后的处理方法，特别是一种基于虚拟传感器 控制重构策略的气垫船传感器故障处理方法。通过在故障船舶与标称控制器之间设置合适 的虚拟传感器来重构被控对象，在故障到达装置输出前消除故障产生的影响，虚拟传感器 的作用与故障传感器相同，使得重构后的船舶输出能够跟踪正常船舶的输出特征。本方法 利用滑模观测器具有解决系统非线性和不确定项的优势，同时具有虚拟传感器不改变标称 控制器结构和参数的特点，有效提高了气垫船发生传感器故障后的安全性能和作业能力。
[0033] -种基于虚拟传感器重构策略的气垫船传感器故障处理方法，主要包括虚拟传感 器和控制器。虚拟传感器重构测量信号，控制器解算控制指令。下面对本发明做几点说明：[0034] 1、带有一个虚拟传感器，根据已知的故障诊断结果，对当前测量信号进行合理的 重构，产生满足标称控制器的测量信号。
[0035] 2、包括一个控制器，控制器的输入为期望位置与重构后的测量值的偏差。
[0036]3、控制方法采用鲁棒滑膜控制。
[0037] 4、当传感器故障时，无需进行标称控制器的重新调整和重构，而是利用虚拟传感 器对错误的测量结果进行重构，得到满足标称控制器的测量信号。
[0038] 基于虚拟传感器的气垫船传感器故障处理方法的实现流程图如图2所示，步骤如 下：
[0039] 1 ?标称控制器输出标称控制信号；
[0040] 2.执行器根据控制信号完成操作，故障传感器测得位置信息；
[0041] 3.根据故障诊断结果，虚拟传感器对故障传感器的测量信息进行重构，得到满足 标称控制器的测量信号；
[0042] 4.根据重构后的传感器测量信号，标称控制器输出新的标称控制信号；
[0043] 在有环境干扰的情况下，通过传感器系统来采集全垫升气垫船的位置和艏向信 息。通过这些位置和艏向信息就可以抽象出船舶运动的动力学和运动学过程，为方便进行 虚拟传感器的设计，将其化为状态空间形式，如下式所示：
[0044]
[0045] 上式中，状态变量，uc(t)和yc(t)分别为系统的输 入向量和输出向量，A为系统的状态矩阵，B和C分别为系统的输入矩阵和输出矩阵。F(x,t) 为系统的所有非线性及不确定部分和外界扰动。
[0046] 其中，I--固定坐标下纵荡值，m
[0047] q--固定坐标下横荡值，m
[0048] C 固定坐标下垂荡值，m
[0049] P--固定坐标下横摇角度，D
[0050] 9一一固定坐标下纵摇角度，D
[0051] ^一一固定坐标下艏摇角度，D
[0052] u--运动坐标下纵荡速度，m/s
[0053] v--运动坐标下横荡速度，m/s
[0054] w--运动坐标下垂荡速度，m/s
[0055] p一一运动坐标下横摇角速度，D/s
[0056] q一一运动坐标下纵摇角速度，D/s
[0057] r一一运动坐标下艏摇角速度，D/s
[0058] 发生传感器故障后的气垫船故障模型的状态空间形式为：
[0059]
[0060] 其中，状态变量％f各，如'，竹而，於％，办々]表示故障船舶的位 置及速度信息，uf(t)和yf(t)分别为故障系统的输入向量和输出向量，Cf为传感器故障后 系统新的输出矩阵，F(xf，t)表示故障模型中所有的非线性及不确定部分和外界扰动。 [0061] 两者结合可以得到虚拟传感器模型：
[0062]
[0063] 此时，如果装置是稳定的，则该模型满足故障隐藏目标，即故障系统的输出能够跟 踪原标称系统的输出；如果装置不稳定，则两个系统的状态轨迹将发生偏离，所以需要在模 型中加入反馈项镇定x(t)与xf(t)的偏差。
[0064] 同时选取适当的参数LT来稳定保证极点在设计集合内〇(/(-iCV)gCg。
[0065] 引入对系统不确定性和非线性都具有较好的鲁棒性的滑膜项，如图3所示，设计 鲁棒滑膜虚拟传感器：
[0066]
【主权项】
1. 一种基于虚拟传感器的气垫船传感器故障处理方法，其特征在于：包括W下步骤， 步骤一：传感器测量气垫船的位置和腊向信息； 步骤二：判断传感器是否发生故障，如果没有发生故障，将传感器的当前测量信息传送 给控制器； 如果发生故障，利用虚拟传感器对当前测量信息进行重构，将重构后的测量信息传送 给控制器； 步骤=:控制器根据接收的测量信息与期望信息的偏差，采用鲁棒滑膜控制方法，得到 控制指令传送执行机构。2. 根据权利要求1所述的一种基于虚拟传感器的气垫船传感器故障处理方法，其特征 在于：所述的虚拟传感器为：Av= A-LC f，Bv= B，C V= C-PC f并且，气垫船模型的状态空间形式为：其中，状态变量.、- = [#，//，（，口，0，;//，"，1'，'|1'./7.(/.小11。(1：)和7。(1：)分别为输入向量和输出 向量，A为状态矩阵，B和C分别为输入矩阵和输出矩阵，F(X，t)为所有非线性及不确定部 分和外界扰动； 传感器发生故障后气垫船模型的状态空间形式为：其中，状态变量X/ =[《/，取，（/.，口/，0/，^^/，"/，^/，"'/，/，/，9/.，?>]表示故障船舶的位置及 速度信息，Uf(t)和yf(t)分别为故障系统的输入向量和输出向量，Cf为传感器故障后系统 新的输出矩阵，F(Xf，t)表示故障模型中所有的非线性及不确定部分和外界扰动。
【专利摘要】本发明公开了一种基于虚拟传感器的气垫船传感器故障处理方法。包括以下步骤，步骤一：传感器测量气垫船的位置和艏向信息；步骤二：判断传感器是否发生故障，如果没有发生故障，将传感器的当前测量信息传送给控制器；如果发生故障，利用虚拟传感器对当前测量信息进行重构，将重构后的测量信息传送给控制器；步骤三：控制器根据接收的测量信息与期望信息的偏差，采用鲁棒滑膜控制方法，得到控制指令传送执行机构。本发明能够提高气垫船安全性能和作业能力。
【IPC分类】G05B13/04
【公开号】CN105204337
【申请号】CN201510616181
【发明人】付明玉, 李鸣阳, 徐玉杰, 丁福光, 林孝工, 王元慧, 李娟 , 赵大威
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年9月24日