本站小編為你精心準備了船舶推進系統故障診斷研究參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

目前，相當大部分的船舶事故都與推進系統故障有關。因此，為了提高系統可靠性，船舶推進系統故障診斷就成為船舶控制科學以及其相關領域的研究熱點[1]。國內外許多知名學者和研究小組在船舶推進系統（PS）的故障診斷領域開展了卓有成效的理論研究和實船應用[2.3]。丁福光等[4]采用神經網絡方法對動力定位工作母船的主推進系統進行了故障診斷技術研究。馬丹[5]采用人工智能專家系統，針對電力推進系統主要設備的故障，實現了運行中各設備故障及早期潛伏性故障的診斷。目前，大多研究人員采用人工智能專家系統、故障樹、神經網絡系統和基于信號的故障檢測方式對船舶推進系統做故障診斷，基于控制理論的PS故障診斷研究較少。船舶推進系統基準（ShipPropulsionSystemBenchmarks,SPSB）測試平臺是國際知名教授Izai-Zamanabadi和Blanke等在歸納、總結船舶推進系統控制結構、故障形式的基礎上，推出的船舶推進系統故障與容錯控制的開放性仿真平臺和檢測標準[6]，并不斷更新。本文基于SPSB測試平臺，利用T-S模糊模型的方法，展開船舶推進系統的故障診斷研究。從船舶推進系統整體性能角度出發，研究多性能指標約束下的非線性觀測器設計以及性能指標的相容性。給出同時滿足指數穩定、H∞性能指標和故障靈敏度指標約束下的故障診斷觀測器設計方法，對觀測器的設計不追求單一性能指標的最優化，而是尋求多種性能指標均得以滿足的最大解集[7]，為解決船舶推進系統故障診斷問題提供新的思路。

1SPSB模型與典型故障

1.1SPSB模型SPSB模型[6]主要子系統包括：1）協同控制子系統：根據最優匹配原則計算柴油機參考轉速和最佳螺距；2）油門刻度PI控制：根據參考轉速和PI控制規則，控制油門齒條（進油量）；3）柴油機子系統：輸出扭矩，推動軸系旋轉產生前進動力；4）螺旋槳動力特性：根據軸系實際轉速、螺旋角、水流速度計算螺旋槳推力和扭矩；5）船舶動態：根據螺旋槳推力、船體所受阻力、風雨外力計算船速。由于柴油機和船舶運動的復雜性，船舶推進控制系統是一個具有強非線性和不確定性的復雜控制系統，SPSB船舶推進控制系統非線性狀態空間方程與輸出方程總結見式。

1.2典型故障通常，船舶推進控制系統典型故障包括：柴油機故障（軸系斷裂、進氣管泄漏、油管泄漏、單或多缸無法啟動）、轉速測量傳感器故障（電磁干擾引起的測量誤差、失效）、螺距測量傳感器故障（失效、電磁干擾引起的測量波動）和調距機構故障（液壓泄漏引起的螺距緩慢漂移、失效）等等。

2船舶推進系統T-S模糊模型

由式（1）可知，船舶推進控制系統是一個具有強非線性和不確定性的復雜控制系統，難以直接進行故障診斷。因此，本文利用模糊函數無線逼近能力將推進控制系統模型轉換T-S模糊模型，基于T-S模糊非線性模型進行故障診斷。依據柴油機工作轉速特征（低速、中速和高速），采用3條模糊規則，盡可能的減小設計的復雜性，同時達到合理逼近SPSB非線性模型的要求?；诖?，考慮由如下3條T-S模糊規則構成的式（1）模糊逼近船舶推進控制系統故障模型。顯然，系統無故障情況下，觀測器的輸出與系統的輸出相同。雖然干擾對殘差作用使ey(t)≠0，但|ey(t)|<r（r為故障檢測閥值）；但系統發生故障時，系統的輸出偏離正常輸出值，與觀測器的輸出不同，即|ey(t)|>r。因此，可利用動態誤差方程進行故障檢測與診斷。為了使動態誤差系統能盡快的反應系統故障，同時在抑制外界干擾的情況下放大故障對殘差的影響，給出如下故障診斷觀測器設計準則。

3故障診斷觀測器設計

考慮船舶推進系統誤差動態方程（4）及滿足條件，存在故障診斷觀測器Gi使動態系統（4）同時滿足指數穩定，H∞魯棒性能指標和H-故障靈敏度指標的充要條件。基于定理1，給出同時滿足多性能指標約束故障診斷觀測器設計步驟及相容性分析方法：1）對誤差動態系統（4），驗證關于變量(Xi,γi,βi,εij)的LMI（5-10）的可行性。2）若LMIS（5-10）有可行解，以(Xi,βi,εij)為變量，LMI（5-10）為約束，求解極值問題：minγi。記極小值為γi-min。3）給定魯棒指標γ2>(max(γi-min))2。以(Xi,γ0,εij)為變量，LMIS（5-10）為約束,求極值問題maxβi，記極大值為βi-max。取靈敏度指標：β<min(βi-max)。4）對給定的魯棒指標和靈敏度指標，求解LMI（5-10）解構造滿足1）～3）的故障診斷觀測器。

4仿真實例

本文以某3500箱集裝箱船為仿真對象，根據以上船舶推進系統T-S模糊模型建立的特點，可以將其系統分成三個狀態子空間，即(S1,S2,S3)，Si表示3個局部模型中起主要作用的局部模型，根據文獻[6]中數據，利用T-S模糊建模方法可給出子系統的對應參數矩陣如下：本文仿真采用液壓缸執行器故障方案：由于液壓缸為執行器件，產生的故障應加入到狀態方程中，液壓缸常常由于密封性能不良，出現漏油情況，從而產生不了應有的壓力，達不到理想的執行效果。對于液壓系統出現泄漏故障，常采用恒偏差故障模型，其故障模型解析式為：f(x,u,t)=c，c為一常數。仿真結果分析：1）PS可調螺距槳液壓系統發生泄漏，出現執行器恒偏差故障，雖然從圖1(a)、圖2(b)中都能測得船速發生的偏值，但是本文觀測器有效的抑制了干擾對船速輸出的影響，提升了對故障靈敏反應。2）PS可調螺距槳液壓系統出現輕微泄漏故障，圖1(c)仿真圖像反映了船速有較小的變化，而圖1(d)由于干擾的作用，無法檢測船速是否由于故障的作用而發生了一定的偏離。3）在圖2(a)、圖2(b)中，PS可調螺距槳液壓系統出現嚴重泄漏故障和輕微泄漏故障，采用本文設計的觀測器，都能有效的通過殘差的變化，檢測出故障發生的時間和大小。

5結論

本文以SPSB為基準，建立了船舶推進系統的T-S模糊模型，設計出船舶推進系統的故障觀測器。仿真表明該方法可以及時準確的檢查出故障發生的時間與大小，響應時間快，檢測效果好；檢測算法具有很強的抗干擾能力，便于觀測故障對殘差的真實影響，驗證了本文設計的觀測器對故障具有較高的敏感性和對干擾有一定的魯棒性。為船舶推進系統的故障診斷與容錯控制提供了新的思路。

作者：陳郭 張剛 佘道明 單位：寧波大學 海運學院