一种基于虚拟执行器的气垫船执行器故障处理方法
【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执行器的气垫船执行器 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，其航行时阻力小，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。尤其是当执行机构发生故障 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、提高安全 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 发生执行器故障后的重构控制，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的，基于虚拟执行器的气垫船执 行器故障处理方法。
[0005] -种基于虚拟执行器的气垫船执行器故障处理方法，包括以下几个步骤，
[0006] 步骤一：传感器采集气垫船的位置和艏向信息；
[0007] 步骤二：求取传感器采集的当前位置与期望位置的偏差，采用鲁棒自适应滑膜控 制方法，得到标称控制信号，传送给执行器；
[0008] 步骤三：进行执行器故障诊断，如果执行器没有发生故障，执行器响应标称控制指 令；如果执行器发生故障，利用虚拟执行器对标称控制信号进行重构，得到重构后的控制信 号，传送给当前执行器。
[0009] 本发明一种基于虚拟执行器的气垫船执行器故障处理方法，还可以包括：
[0010] 1、虚拟执行器为：
[0011]
[0012] 气垫船运动模型的状态空间形式为：
[0013]
[0014] 其中，状态变量r= f",n，/W]，uc⑴和yc⑴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；
[0015] 执行器发生故障后的气垫船运动模型的状态空间形式为：
[0016]
[0017] 其中，状态变直心=[备.，知内'，沒/.少丨卿.，為，，％：、丨:/]表不故卩早船舶的位 置及速度信息，uf(t)和yf(t)分别为故障船舶输入向量和输出向量，Bf为执行器故障后新 的输入矩阵，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。
[0018] 有益效果：
[0019] 气垫船航行过程中出现执行器故障后，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。本方法针对气垫船执行器故障情况，在故 障到达设备输出前消除故障产生的影响，在故障设备与标称控制器之间设计合适的虚拟执 行器来重构被控对象，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。虚拟执行器的作用与故障执行器 一致，是通过其它执行器的控制输入取代该执行器故障产生的影响。
【附图说明】
[0020] 图1气垫船执行器故障后的重构控制系统原理框图；
[0021] 图2基于虚拟执行器的气垫船重构控制流程图；
[0022] 图3利用虚拟执行器重构故障装置结构图。
【具体实施方式】
[0023] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0024] 本发明提出了一种气垫船执行器故障后的重构控制方法，目的在于实现气垫船执 tx器故障后的应急控制，有效提尚安全性能。
[0025] 本发明所提出的基于虚拟执行器的气垫船执行器故障重构控制方法原理如图1 所示，过程如下：
[0026] 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；
[0027] 2.根据故障诊断结果，虚拟执行器对标称控制信号进行重构，得到满足故障执行 机构结构特征的控制信号；
[0028] 3.故障执行机构根据重构后的控制信号完成工作，并由传感器测得船舶位置信 息，确保标称控制器无需进行重新的调整和重构。
[0029] 基于虚拟执行器控制重构策略的气垫船执行器故障重构控制方法通过虚拟执行 器实现对故障船舶的重构，故障后的执行机构根据重构后的控制信号完成工作任务。虚拟 执行器重构策略是本方法的核心关键，采用鲁棒自适应滑膜控制方法。
[0030] -种基于虚拟执行器重构策略的气垫船执行器故障重构控制方法，主要包括虚拟 执行器和控制器。虚拟执行器重构控制信号，控制器解算控制指令。下面对本发明做几点 说明。
[0031] 1、带有一个虚拟执行器，根据已知的故障诊断结果，对标称控制信号进行合理的 重构，产生适合当前故障执行器的重构控制信号。
[0032] 2、包括一个控制器，控制器的输入为期望位置与当前传感器测量值的偏差。
[0033]3、控制方法采用鲁棒自适应滑膜控制。
[0034] 4、当执行器故障时，无需进行标称控制器的重新调整和重构，故障执行器的输入 为虚拟执行器重构标称控制信号后得到的适合当前故障情况的重构控制信号。
[0035] 本发明公开了一种气垫船执行器故障后的重构控制方法，特别是一种基于虚拟执 行器控制重构策略的气垫船执行器故障重构方法。通过在故障船舶与标称控制器之间设置 合适的虚拟执行器来重构被控对象，在故障到达装置输出前消除故障产生的影响，虚拟执 行器的作用与故障执行器相同，使得重构后的船舶输出能够跟踪正常船舶的输出特征，而 无需进行控制器的重新设