專利名稱：船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于船舶航向自動(dòng)控制及故障檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置及其方法。
背景技術(shù)：
船舶航向控制是指通過操舵儀，使得船舶首向角跟蹤設(shè)定航向。船舶在運(yùn)動(dòng)過程中受到各種外部干擾，如風(fēng)、浪、流等的影響，一方面，為節(jié)省燃油并盡可能快速地到達(dá)目的地，要求保持船舶巡航過程中的航向穩(wěn)定性；另ー方面，船舶離靠泊，靈活掉頭，障礙物規(guī)避等又要求船舶能及時(shí)改變航向。因此如何實(shí)現(xiàn)船舶航向的精確控制，提高船舶巡航的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及適應(yīng)不同海況的能力是ー個(gè)十分有價(jià)值的問題。在對船舶航向進(jìn)行控制的過程中，電羅經(jīng)及舵角反饋裝置用于將船舶航向及舵角 信息反饋至航向控制器和舵角控制器，而舵角控制器的控制信號(hào)傳輸至舵機(jī)，舵機(jī)通過舵桿控制航實(shí)現(xiàn)航向精確控制。在航向控制過程中，如果航向控制器、:角控制器出現(xiàn)階躍型、斜坡型故障，或者舵機(jī)出現(xiàn)卡死型故障，則就不能實(shí)現(xiàn)船舶航向的精確控制，從而影響船舶巡航的安全性、經(jīng)濟(jì)性。因此，當(dāng)船舶航向控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障吋，如何及時(shí)檢測故障的發(fā)生并及時(shí)采取措施消除故障是有重要意義的。專利申請?zhí)枮?00410101876. 1，發(fā)明名稱為“ー種自動(dòng)舵航向控制系統(tǒng)及其方法”的專利，它的特征是“系統(tǒng)包括偏航效應(yīng)、航向角補(bǔ)償?shù)裙δ苎b置，航向偏差裝置、航向控制裝置、操舵裝置等；方法包括求出航向偏差值、舵角控制指令調(diào)節(jié)等”。專利申請?zhí)枮?01110052297. 2，名稱為“船舶航向變論域模糊與最小ニ乘支持向量機(jī)復(fù)合控制方法”的發(fā)明專利“提供了ー種船舶航向變論域模糊與最小ニ乘支持向量機(jī)復(fù)合控制方法，使船舶的航向按指令航向精度跟蹤給定期望航向”。以上兩個(gè)發(fā)明未考慮航向控制過程中可能出現(xiàn)故障的情況，因而不便于對存在故障的船舶進(jìn)行精確的航向控制。專利申請?zhí)枮?00910072337. 2，發(fā)明名稱為“ー種船用計(jì)程儀故障檢測裝置”的專利，它“包括數(shù)據(jù)處理器、多路選通器、數(shù)據(jù)采集単元、通信接ロ単元、計(jì)程儀和PC機(jī)等，無需專業(yè)人員即可隨時(shí)進(jìn)行高效的故障診斷及定位”。但是該發(fā)明無法實(shí)現(xiàn)對船舶航向控制系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測。專利申請?zhí)枮?01010203536. 5的發(fā)明專利“提供的是ー種船舶航向控制系統(tǒng)故障在線預(yù)報(bào)方法”。該發(fā)明主要是預(yù)報(bào)系統(tǒng)故障的發(fā)生，而不是檢測系統(tǒng)故障?，F(xiàn)有技術(shù)中，暫時(shí)還沒有通過設(shè)置故障檢測濾波器、參考?xì)埐钅Ｐ?、殘差信?hào)分析裝置等實(shí)現(xiàn)船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測的裝置和方法。因此，需要ー種船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置及其方法來解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中無法對船舶航向控制系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測的缺陷，提供一種精確、快捷的船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置及其方法。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置可采用如下技術(shù)方案ー種船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置，所述航向控制系統(tǒng)包括電羅經(jīng)和操舵儀，所述電羅經(jīng)自動(dòng)、連續(xù)地提供船舶航向信息，所述故障檢測裝置包括故障檢測模塊，所述故障檢測模塊包括故障檢測濾波器、參考?xì)埐钅Ｐ?、殘差信?hào)分析裝置、顯示裝置及故障報(bào)警裝置，所述故障檢測濾波器和所述參考?xì)埐钅Ｐ驮O(shè)置在所述操舵儀上，所述故障檢測濾波器連接所述操舵儀，所述故障檢測濾波器接收來自所述電羅經(jīng)的船舶航向信息并生成殘差信號(hào)；所述殘差信號(hào)分析裝置與所述故障檢測濾波器和所述操舵儀相連接，所述殘差信號(hào)分析裝置用于計(jì)算并比較殘差評價(jià)函數(shù)與給定閾值的大小；所述操舵儀連接所述顯示裝置及故障報(bào)警裝置，所述顯示裝置用于顯示殘差評價(jià)函數(shù)曲線，所述故障報(bào)警裝置提示用戶故障的發(fā)生。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置通過設(shè)置故障檢測濾波器、參考?xì)埐钅Ｐ?、殘差信?hào)分析裝置、顯示裝置及故障報(bào)警裝置等，并通過
合理連接各物理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對船舶航向控制過程中的故障檢測。本發(fā)明硬件連接關(guān)系簡單，故障檢測快捷有效，可改善船舶巡航的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及適應(yīng)不同海況的能力，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測方法可采用如下技術(shù)方案ー種船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測方法，采用本發(fā)明的船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置，包括以下步驟a、所述故障檢測濾波器根據(jù)所述電羅經(jīng)的船舶航向信息生成殘差信號(hào)；b、所述殘差信號(hào)分析裝置根據(jù)所述殘差信號(hào)計(jì)算殘差評價(jià)函數(shù)；C、所述殘差信號(hào)分析裝置比較殘差評價(jià)函數(shù)的值與給定閾值的值，當(dāng)殘差評價(jià)函數(shù)的值大于給定閾值的值時(shí)，則故障發(fā)生，所述殘差信號(hào)分析裝置將相應(yīng)的信息傳輸?shù)剿霾俣鎯x上的顯示裝置及故障報(bào)警裝置，以提示用戶故障已發(fā)生；當(dāng)殘差評價(jià)函數(shù)的值小于等于給定閾值的值吋，沒有故障發(fā)生，則殘差信號(hào)分析裝置繼續(xù)計(jì)算殘差評價(jià)函數(shù)的值并比較殘差評價(jià)函數(shù)與給定閾值的大小關(guān)系。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測方法通過故障檢測濾波器、參考?xì)埐钅Ｐ?、殘差信?hào)分析裝置、顯示裝置及故障報(bào)警裝置等，實(shí)現(xiàn)對船舶航向控制過程中的故障檢測，故障檢測快捷有效，可改善船舶巡航的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及適應(yīng)不同海況的能力，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。


圖I是船舶航向控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖和信號(hào)傳遞關(guān)系圖；圖2是本發(fā)明的船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖和信號(hào)傳遞關(guān)系圖。圖I、圖2中實(shí)線表示各裝置之間的連接關(guān)系，帶箭頭的虛線表示信號(hào)傳遞方向。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)ー步的說明。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)ー步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。請參閱圖I所示，本發(fā)明的船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置，其中航向控制系統(tǒng)包括舵、舵機(jī)、舵角反饋裝置、電羅經(jīng)、操舵儀、航向控制器和舵角控制器等裝置。電羅經(jīng)分別連接航向控制器和操舵儀，電羅經(jīng)自動(dòng)、連續(xù)地提供船舶的航向信息并計(jì)算給定航向與實(shí)際航向之間的偏差并傳輸至航向控制器；舵角反饋裝置檢測舵角信號(hào)并反饋舵角信號(hào)；航向控制器連接舵角控制器，舵機(jī)通過舵桿連接所述舵，舵角控制器根據(jù)航向偏差與舵角反饋信息生成控制輸入并傳輸至舵機(jī)；舵機(jī)分別連接舵角控制器和操舵儀，舵機(jī)接收舵角控制器的控制信號(hào)和操舵儀的控制信號(hào)，井根據(jù)收到的信號(hào)控制轉(zhuǎn)舵，調(diào)整航向。操舵儀安裝在駕駛艙，且可根據(jù)航向及舵角偏差情況傳輸控制信號(hào)至舵機(jī)，以達(dá)到調(diào)整航向的目的。電羅經(jīng)自動(dòng)、連續(xù)地對船舶航向進(jìn)行采樣，計(jì)算給定航向與實(shí)際航向之間的偏差并將相應(yīng)的航向偏差信息傳到航向控制器。航向偏差及舵角反饋裝置所反饋的舵角信號(hào)傳到舵角控制器，且舵角控制器構(gòu)建相應(yīng)的控制輸入并傳輸至舵機(jī)。舵機(jī)通過舵桿與舵連接，操舵儀通過Profibus現(xiàn)場總線將控制信號(hào)傳輸至舵機(jī)。舵機(jī)既可以接收舵角控制器的控制信號(hào)，又可以接收操舵儀的控制信號(hào)，井根據(jù)收到的信號(hào)控制轉(zhuǎn)舵，達(dá)到調(diào)整航向的目的。
·
由于船舶在航行過程中不可避免地會(huì)受到風(fēng)、浪、流的影響，因此船舶航向很容易偏離給定航向，為了保證船舶沿著給定航向航行，電羅經(jīng)會(huì)自動(dòng)連續(xù)的采樣船舶的航向信息，并計(jì)算給定航向與實(shí)際航向之間的偏差并將相應(yīng)的航向偏差信息傳到航向控制器，航向控制器根據(jù)航向偏差生成控制輸入。如果航向控制器發(fā)生故障，如階躍型、斜坡型故障，則相應(yīng)的故障信號(hào)會(huì)包含在航向控制器所生成的控制輸入中。舵角反饋裝置檢測并反饋舵角信息，舵角控制器的作用是根據(jù)航向控制器所生成的控制輸入及舵角反饋信息，構(gòu)建相應(yīng)的控制輸入并傳輸至舵機(jī)。舵機(jī)通過舵桿與舵連接，操舵儀通過Profibus現(xiàn)場總線將控制信號(hào)傳輸至舵機(jī)。舵機(jī)既可以接收舵角控制器的控制信號(hào)，又可以接收操舵儀的控制信號(hào)，井根據(jù)收到的信號(hào)控制轉(zhuǎn)舵，達(dá)到調(diào)整航向的目的。如果舵角控制器發(fā)生故障，則相應(yīng)的故障信號(hào)也會(huì)包含在舵角控制器所生成的控制輸入中。另外，舵機(jī)也可能出現(xiàn)卡死型故障。請參閱圖2所示，本發(fā)明的船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置包括故障檢測模塊，故障檢測模塊包括故障檢測濾波器、參考?xì)埐钅Ｐ汀埐钚盘?hào)分析裝置、顯示裝置及故障報(bào)警裝置。其中故障檢測濾波器和參考?xì)埐钅Ｐ驮O(shè)置在操舵儀上，故障檢測濾波器連接操舵儀，故障檢測濾波器接收來自電羅經(jīng)的船舶航向信息并生成殘差信號(hào)；殘差信號(hào)分析裝置分別與故障檢測濾波器和操舵儀相連接，殘差信號(hào)分析裝置用于計(jì)算并比較殘差評價(jià)函數(shù)與給定閾值的大?。徊俣鎯x連接顯示裝置及故障報(bào)警裝置，顯示裝置用于顯示殘差評價(jià)函數(shù)曲線，故障報(bào)警裝置通過紅燈閃爍及聲音提示用戶故障的發(fā)生。如果航向控制器及舵角控制器發(fā)生故障，如階躍型、斜坡型故障，或者舵機(jī)出現(xiàn)卡死型故障，則航向控制器及舵角控制器所生成的控制輸入中會(huì)包含故障信號(hào)，此時(shí)就需要由故障檢測模塊來檢測故障的發(fā)生并報(bào)警。對于離散時(shí)間船舶航向控制系統(tǒng)，設(shè)船舶航向狀態(tài)方程、故障檢測濾波器狀態(tài)方程、參考?xì)埐钅Ｐ头謩e如公式(I)、(2)、(3)所示，xk+1 = AxfBudE1 ω k+E2fkyk = Cxk,(I)
ι = + 呑[んヌた+(I—義k Iyk-Pfdlc ] η= ‘⑵xk+i ~ Avxk + Bwfk(7、Jk = CwXk + D''.fk其中xk，uk，cok，fk，ykxk rk，ち,冗分別為船舶航向的狀態(tài)值、舵機(jī)的控制輸入、夕卜
部擾動(dòng)、故障、船舶航向的量測輸出值、故障檢測濾波器狀態(tài)、殘差信號(hào)、參考?xì)埐钅Ｐ蜖顟B(tài)和參考?xì)埐钅Ｐ洼敵?ふ，B, E1, E2, C，Aff, Bff, Cff, Dw為已知的常數(shù)矩陣，且在船舶航向角、舵角、橫搖角等各個(gè)參數(shù)已知的情況下，這些常數(shù)矩陣可通過數(shù)值計(jì)算得到!},('為待設(shè)計(jì)的故障檢測濾波器的増益；Ak的值取I或0，且Ak= I對應(yīng)于無時(shí)延、丟包的情況，Ak = O 對應(yīng)于存在時(shí)延、丟包的情況；Pk，dk分別表示丟包數(shù)及時(shí)延值。由船舶航向的狀態(tài)值、故障檢測濾波器狀態(tài)、參考?xì)埐钅Ｐ蜖顟B(tài)構(gòu)建擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)向量及擴(kuò)展閉環(huán)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)系統(tǒng)的故障檢測濾波器。當(dāng)設(shè)計(jì)完成故障檢測濾波器后，可以根據(jù)公式(2)計(jì)算殘差信號(hào)，殘差信號(hào)分析裝置根據(jù)計(jì)算所得到的殘差信號(hào)，構(gòu)造殘差評價(jià)函數(shù)a r Ht= ^Xri7 rt, T = t2_t1+l，其中，rk代表殘差信號(hào)，t2分別為進(jìn)行故障檢測
的起始時(shí)刻和終止時(shí)刻，T為進(jìn)行故障檢測的時(shí)間跨度；且取殘差評價(jià)函數(shù)閾值為J& = sJ1Pllrllr 其中，fk 代織障信號(hào)。殘差信號(hào)分析裝置比較Il r Il τ與Jth的值，當(dāng)Ilr Ht > Jth吋，則故障發(fā)生，且殘差信號(hào)分析裝置將相應(yīng)的信息傳輸?shù)讲俣鎯x上的顯示裝置及故障報(bào)警裝置，以提示用戶故障已發(fā)生；當(dāng)Il r Il T<Jth，沒有故障發(fā)生，則殘差信號(hào)分析裝置繼續(xù)計(jì)算Il r Il τ的值，井比較Il r Il τ與Jth的大小關(guān)系。當(dāng)操舵儀上的顯示裝置及故障報(bào)警裝置收到殘差信號(hào)分析裝置的信號(hào)時(shí)，顯示裝置顯示殘差評價(jià)函數(shù)曲線，以體現(xiàn)故障對于系統(tǒng)殘差信號(hào)的影響，且故障報(bào)警裝置通過紅燈閃爍及聲音提示用戶故障的發(fā)生。如上所述，本發(fā)明的船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置和方法可以快速檢測船舶航向控制系統(tǒng)中的故障，使用簡單方便。本發(fā)明快捷有效、硬件連接關(guān)系簡單，便于實(shí)現(xiàn)船舶航向控制系統(tǒng)的故障檢測，從而改善船舶巡航的安全性、經(jīng)濟(jì)性及適應(yīng)不同海況的能力，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.ー種船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置，所述航向控制系統(tǒng)包括電羅經(jīng)和操舵儀，所述電羅經(jīng)自動(dòng)、連續(xù)地提供船舶航向信息，其特征在于，所述故障檢測裝置包括故障檢測模塊，所述故障檢測模塊包括故障檢測濾波器、參考?xì)埐钅Ｐ?、殘差信?hào)分析裝置、顯示裝置及故障報(bào)警裝置，所述故障檢測濾波器和所述參考?xì)埐钅Ｐ驮O(shè)置在所述操舵儀上，所述參考?xì)埐钅Ｐ陀糜谠O(shè)計(jì)所述故障檢測濾波器，所述故障檢測濾波器連接所述操舵儀，所述故障檢測濾波器接收來自所述電羅經(jīng)的船舶航向信息并生成殘差信號(hào)；所述殘差信號(hào)分析裝置與所述故障檢測濾波器和所述操舵儀相連接，所述殘差信號(hào)分析裝置用于計(jì)算并比較殘差評價(jià)函數(shù)與給定閾值的大?。凰霾俣鎯x連接所述顯示裝置及故障報(bào)警裝置，所述顯示裝置用于顯示殘差評價(jià)函數(shù)曲線，所述故障報(bào)警裝置提示用戶故障的發(fā)生。
2.如權(quán)利要求I所述的船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置，其特征在于，所述航向控制系統(tǒng)還包括舵、舵機(jī)、舵角反饋裝置、航向控制器和舵角控制器，所述電羅經(jīng)分別連接所述航向控制器和所述操舵儀，所述電羅經(jīng)自動(dòng)、連續(xù)地提供船舶的航向信息并計(jì)算給定航向與實(shí)際航向之間的偏差并傳輸至所述航向控制器；所述舵角反饋裝置檢測舵角信號(hào)并反饋舵角信號(hào)；所述航向控制器連接所述舵角控制器，所述舵機(jī)通過舵桿連接所述舵，所述舵角控制器根據(jù)航向偏差與舵角反饋信息生成控制輸入并傳輸至所述舵機(jī)；所述舵機(jī)分別連接所述舵角控制器和所述操舵儀，所述舵機(jī)接收舵角控制器的控制信號(hào)和操舵儀的控制信號(hào)，井根據(jù)收到的信號(hào)控制轉(zhuǎn)舵。
3.如權(quán)利要求2所述的船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置，其特征在于，所述故障檢測濾波器通過將船舶航向狀態(tài)、故障檢測濾波器狀態(tài)及參考?xì)埐钅Ｐ蜖顟B(tài)結(jié)合起來，構(gòu)造擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)向量，并在擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)向量的基礎(chǔ)上構(gòu)造故障檢測閉環(huán)系統(tǒng)，在所得到的故障檢測閉環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)得到故障檢測濾波器，其中船舶航向狀態(tài)方程、故障檢測濾波器狀態(tài)方程、參考?xì)埐钅Ｐ头謩e如公式(I)、(2)、(3)所示
4.如權(quán)利要求2所述的船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置，其特征在于，所述操舵儀通過Profibus現(xiàn)場總線將控制信號(hào)傳輸至舵機(jī)。
5.如權(quán)利要求I所述的船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置，其特征在于，所述殘差評價(jià)函數(shù)為
6.如權(quán)利要求I所述的船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置，其特征在于，所述故障報(bào)警裝置通過紅燈閃爍及聲音提示用戶故障的發(fā)生。
7.ー種船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測方法，其特征在于，采用如權(quán)利要求1-6任ー項(xiàng)所述的船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置，包括以下步驟 a、所述故障檢測濾波器根據(jù)所述電羅經(jīng)的船舶航向信息生成殘差信號(hào)； b、所述殘差信號(hào)分析裝置根據(jù)所述殘差信號(hào)計(jì)算殘差評價(jià)函數(shù)； C、所述殘差信號(hào)分析裝置比較殘差評價(jià)函數(shù)的值與給定閾值的值，當(dāng)殘差評價(jià)函數(shù)的值大于給定閾值的值時(shí)，則故障發(fā)生，所述殘差信號(hào)分析裝置將相應(yīng)的信息傳輸?shù)剿霾俣鎯x上的顯示裝置及故障報(bào)警裝置，以提示用戶故障已發(fā)生；當(dāng)殘差評價(jià)函數(shù)的值小于等于給定閾值的值時(shí)，沒有故障發(fā)生，則殘差信號(hào)分析裝置繼續(xù)計(jì)算殘差評價(jià)函數(shù)的值并比較殘差評價(jià)函數(shù)與給定閾值的大小關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置及其方法，本發(fā)明的船舶航向控制系統(tǒng)故障檢測裝置通過設(shè)置故障檢測濾波器、參考?xì)埐钅Ｐ?、殘差信?hào)分析裝置、顯示裝置及故障報(bào)警裝置，故障檢測濾波器生成殘差信號(hào)；殘差信號(hào)分析裝置用于計(jì)算并比較殘差評價(jià)函數(shù)與給定閾值的大小?；谏鲜龉收蠙z測裝置，本發(fā)明的故障檢測方法，可以在殘差評價(jià)函數(shù)的值大于給定閾值時(shí)，顯示裝置顯示殘差評價(jià)函數(shù)曲線，故障報(bào)警裝置提示故障的發(fā)生。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對船舶航向控制過程中的故障檢測，故障檢測快捷有效，可改善船舶巡航的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及適應(yīng)不同海況的能力，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G05B23/02GK102681537SQ20121018047
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月1日
發(fā)明者劉維亭, 李春華, 楊奕飛, 王天寶, 王恒, 王玉龍, 車偉偉 申請人:江蘇科技大學(xué)