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。船舶在運動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改變航向。因此如何實現(xiàn)船舶航向的精確控制，提高船舶巡航的安全性、經(jīng)濟性以及適應(yīng)不同海況的能力是ー個十分有價值的問題。在對船舶航向進行控制的過程中，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傳輸至舵機，舵機通過舵桿控制航實現(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，或者舵機出現(xiàn)卡死型故障，則就不能實現(xiàn)船舶航向的精確控制，從而影響船舶巡航的安全性、經(jīng)濟性。因此，當(dāng)船舶航向控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障吋，如何及時檢測故障的發(fā)生并及時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、計程儀和PC機等，無需專業(yè)人員即可隨時進行高效的故障診斷及定位”。但是該發(fā)明無法實現(xiàn)對船舶航向控制系統(tǒng)進行故障檢測。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)報方法”。該發(fā)明主要是預(yù)報系統(tǒng)故障的發(fā)生，而不是檢測系統(tǒng)故障?，F(xiàn)有技術(shù)中，暫時還沒有通過設(shè)置故障檢測濾波器、參考?xì)埐钅Ｐ?、殘差信號分析裝置等實現(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、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?、殘差信號分析裝置、顯示裝置及故障報警裝置，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；所述殘差信號分析裝置與所述故障檢測濾波器和所述操舵儀相連接，所述殘差信號分析裝置用于計算并比較殘差評價函數(shù)與給定閾值的大??；所述操舵儀連接所述顯示裝置及故障報警裝置，所述顯示裝置用于顯示殘差評價函數(shù)曲線，所述故障報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汀埐钚盘柗治鲅b置、顯示裝置及故障報警裝置等，并通過
合理連接各物理設(shè)備，實現(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)濟性以及適應(yīng)不同海況的能力，具有實際應(yīng)用價值。技術(shù)方案為實現(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；b、所述殘差信號分析裝置根據(jù)所述殘差信號計算殘差評價函數(shù)；C、所述殘差信號分析裝置比較殘差評價函數(shù)的值與給定閾值的值，當(dāng)殘差評價函數(shù)的值大于給定閾值的值時，則故障發(fā)生，所述殘差信號分析裝置將相應(yīng)的信息傳輸?shù)剿霾俣鎯x上的顯示裝置及故障報警裝置，以提示用戶故障已發(fā)生；當(dāng)殘差評價函數(shù)的值小于等于給定閾值的值吋，沒有故障發(fā)生，則殘差信號分析裝置繼續(xù)計算殘差評價函數(shù)的值并比較殘差評價函數(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汀埐钚盘柗治鲅b置、顯示裝置及故障報警裝置等，實現(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)濟性以及適應(yīng)不同海況的能力，具有實際應(yīng)用價值。


圖I是船舶航向控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖和信號傳遞關(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)示意圖和信號傳遞關(guān)系圖。圖I、圖2中實線表示各裝置之間的連接關(guān)系，帶箭頭的虛線表示信號傳遞方向。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進ー步的說明。下面結(jié)合附圖和具體實施例，進ー步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實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、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、連續(xù)地提供船舶的航向信息并計算給定航向與實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并反饋舵角信號；航向控制器連接舵角控制器，舵機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；舵機分別連接舵角控制器和操舵儀，舵機接收舵角控制器的控制信號和操舵儀的控制信號，井根據(jù)收到的信號控制轉(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至舵機，以達(dá)到調(diào)整航向的目的。電羅經(jīng)自動、連續(xù)地對船舶航向進行采樣，計算給定航向與實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。舵機通過舵桿與舵連接，操舵儀通過Profibus現(xiàn)場總線將控制信號傳輸至舵機。舵機既可以接收舵角控制器的控制信號，又可以接收操舵儀的控制信號，井根據(jù)收到的信號控制轉(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)會自動連續(xù)的采樣船舶的航向信息，并計算給定航向與實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)的故障信號會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。舵機通過舵桿與舵連接，操舵儀通過Profibus現(xiàn)場總線將控制信號傳輸至舵機。舵機既可以接收舵角控制器的控制信號，又可以接收操舵儀的控制信號，井根據(jù)收到的信號控制轉(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)的故障信號也會包含在舵角控制器所生成的控制輸入中。另外，舵機也可能出現(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?、殘差信號分析裝置、顯示裝置及故障報警裝置。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；殘差信號分析裝置分別與故障檢測濾波器和操舵儀相連接，殘差信號分析裝置用于計算并比較殘差評價函數(shù)與給定閾值的大??；操舵儀連接顯示裝置及故障報警裝置，顯示裝置用于顯示殘差評價函數(shù)曲線，故障報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包含故障信號，此時就需要由故障檢測模塊來檢測故障的發(fā)生并報警。對于離散時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、舵機的控制輸入、夕卜
部擾動、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、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、橫搖角等各個參數(shù)已知的情況下，這些常數(shù)矩陣可通過數(shù)值計算得到!},('為待設(shè)計的故障檢測濾波器的増益；Ak的值取I或0，且Ak= I對應(yīng)于無時延、丟包的情況，Ak = O 對應(yīng)于存在時延、丟包的情況；Pk，dk分別表示丟包數(shù)及時延值。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)建擴展?fàn)顟B(tài)向量及擴展閉環(huán)系統(tǒng)，并設(shè)計系統(tǒng)的故障檢測濾波器。當(dāng)設(shè)計完成故障檢測濾波器后，可以根據(jù)公式(2)計算殘差信號，殘差信號分析裝置根據(jù)計算所得到的殘差信號，構(gòu)造殘差評價函數(shù)a r Ht= ^Xri7 rt, T = t2_t1+l，其中，rk代表殘差信號，t2分別為進行故障檢測
的起始時刻和終止時刻，T為進行故障檢測的時間跨度；且取殘差評價函數(shù)閾值為J& = sJ1Pllrllr 其中，fk 代織障信號。殘差信號分析裝置比較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，則殘差信號分析裝置繼續(xù)計算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警裝置收到殘差信號分析裝置的信號時，顯示裝置顯示殘差評價函數(shù)曲線，以體現(xiàn)故障對于系統(tǒng)殘差信號的影響，且故障報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)濟性及適應(yīng)不同海況的能力，具有實際應(yīng)用價值。
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、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?、殘差信號分析裝置、顯示裝置及故障報警裝置，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；所述殘差信號分析裝置與所述故障檢測濾波器和所述操舵儀相連接，所述殘差信號分析裝置用于計算并比較殘差評價函數(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警裝置，所述顯示裝置用于顯示殘差評價函數(shù)曲線，所述故障報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、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、連續(xù)地提供船舶的航向信息并計算給定航向與實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并反饋舵角信號；所述航向控制器連接所述舵角控制器，所述舵機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；所述舵機分別連接所述舵角控制器和所述操舵儀，所述舵機接收舵角控制器的控制信號和操舵儀的控制信號，井根據(jù)收到的信號控制轉(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)造擴展?fàn)顟B(tài)向量，并在擴展?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)場總線將控制信號傳輸至舵機。
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； b、所述殘差信號分析裝置根據(jù)所述殘差信號計算殘差評價函數(shù)； C、所述殘差信號分析裝置比較殘差評價函數(shù)的值與給定閾值的值，當(dāng)殘差評價函數(shù)的值大于給定閾值的值時，則故障發(fā)生，所述殘差信號分析裝置將相應(yīng)的信息傳輸?shù)剿霾俣鎯x上的顯示裝置及故障報警裝置，以提示用戶故障已發(fā)生；當(dāng)殘差評價函數(shù)的值小于等于給定閾值的值時，沒有故障發(fā)生，則殘差信號分析裝置繼續(xù)計算殘差評價函數(shù)的值并比較殘差評價函數(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?、殘差信號分析裝置、顯示裝置及故障報警裝置，故障檢測濾波器生成殘差信號；殘差信號分析裝置用于計算并比較殘差評價函數(shù)與給定閾值的大小。基于上述故障檢測裝置，本發(fā)明的故障檢測方法，可以在殘差評價函數(shù)的值大于給定閾值時，顯示裝置顯示殘差評價函數(shù)曲線，故障報警裝置提示故障的發(fā)生。本發(fā)明實現(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)濟性以及適應(yīng)不同海況的能力，具有實際應(yīng)用價值。
文檔編號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)