船舶推进系统故障诊断研究

目前，相当大部分的船舶事故都与推进系统故障有关。因此，为了提高系统可靠性，船舶推进系统故障诊断就成为船舶控制科学以及其相关领域的研究热点[1]。国内外许多知名学者和研究小组在船舶推进系统（PS）的故障诊断领域开展了卓有成效的理论研究和实船应用[2.3]。丁福光等[4]采用神经网络方法对动力定位工作母船的主推进系统进行了故障诊断技术研究。马丹[5]采用人工智能专家系统，针对电力推进系统主要设备的故障，实现了运行中各设备故障及早期潜伏性故障的诊断。目前，大多研究人员采用人工智能专家系统、故障树、神经网络系统和基于信号的故障检测方式对船舶推进系统做故障诊断，基于控制理论的PS故障诊断研究较少。船舶推进系统基准（ShipPropulsionSystemBenchmarks,SPSB）测试平台是国际知名教授Izai-Zamanabadi和Blanke等在归纳、总结船舶推进系统控制结构、故障形式的基础上，推出的船舶推进系统故障与容错控制的开放性仿真平台和检测标准[6]，并不断更新。本文基于SPSB测试平台，利用T-S模糊模型的方法，展开船舶推进系统的故障诊断研究。从船舶推进系统整体性能角度出发，研究多性能指标约束下的非线性观测器设计以及性能指标的相容性。给出同时满足指数稳定、H∞性能指标和故障灵敏度指标约束下的故障诊断观测器设计方法，对观测器的设计不追求单一性能指标的最优化，而是寻求多种性能指标均得以满足的最大解集[7]，为解决船舶推进系统故障诊断问题提供新的思路。

1SPSB模型与典型故障

1.1SPSB模型SPSB模型[6]主要子系统包括：1）协同控制子系统：根据最优匹配原则计算柴油机参考转速和最佳螺距；2）油门刻度PI控制：根据参考转速和PI控制规则，控制油门齿条（进油量）；3）柴油机子系统：输出扭矩，推动轴系旋转产生前进动力；4）螺旋桨动力特性：根据轴系实际转速、螺旋角、水流速度计算螺旋桨推力和扭矩；5）船舶动态：根据螺旋桨推力、船体所受阻力、风雨外力计算船速。由于柴油机和船舶运动的复杂性，船舶推进控制系统是一个具有强非线性和不确定性的复杂控制系统，SPSB船舶推进控制系统非线性状态空间方程与输出方程总结见式。

1.2典型故障通常，船舶推进控制系统典型故障包括：柴油机故障（轴系断裂、进气管泄漏、油管泄漏、单或多缸无法启动）、转速测量传感器故障（电磁干扰引起的测量误差、失效）、螺距测量传感器故障（失效、电磁干扰引起的测量波动）和调距机构故障（液压泄漏引起的螺距缓慢漂移、失效）等等。

2船舶推进系统T-S模糊模型

由式（1）可知，船舶推进控制系统是一个具有强非线性和不确定性的复杂控制系统，难以直接进行故障诊断。因此，本文利用模糊函数无线逼近能力将推进控制系统模型转换T-S模糊模型，基于T-S模糊非线性模型进行故障诊断。依据柴油机工作转速特征（低速、中速和高速），采用3条模糊规则，尽可能的减小设计的复杂性，同时达到合理逼近SPSB非线性模型的要求。基于此，考虑由如下3条T-S模糊规则构成的式（1）模糊逼近船舶推进控制系统故障模型。显然，系统无故障情况下，观测器的输出与系统的输出相同。虽然干扰对残差作用使ey(t)≠0，但|ey(t)|<r（r为故障检测阀值）；但系统发生故障时，系统的输出偏离正常输出值，与观测器的输出不同，即|ey(t)|>r。因此，可利用动态误差方程进行故障检测与诊断。为了使动态误差系统能尽快的反应系统故障，同时在抑制外界干扰的情况下放大故障对残差的影响，给出如下故障诊断观测器设计准则。

3故障诊断观测器设计

考虑船舶推进系统误差动态方程（4）及满足条件，存在故障诊断观测器Gi使动态系统（4）同时满足指数稳定，H∞鲁棒性能指标和H-故障灵敏度指标的充要条件。基于定理1，给出同时满足多性能指标约束故障诊断观测器设计步骤及相容性分析方法：1）对误差动态系统（4），验证关于变量(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)为变量，LMI（5-10）为约束，求解极值问题：minγi。记极小值为γi-min。3）给定鲁棒指标γ2>(max(γi-min))2。以(Xi,γ0,εij)为变量，LMIS（5-10）为约束,求极值问题maxβi，记极大值为βi-max。取灵敏度指标：β<min(βi-max)。4）对给定的鲁棒指标和灵敏度指标，求解LMI（5-10）解构造满足1）～3）的故障诊断观测器。

4仿真实例

本文以某3500箱集装箱船为仿真对象，根据以上船舶推进系统T-S模糊模型建立的特点，可以将其系统分成三个状态子空间，即(S1,S2,S3)，Si表示3个局部模型中起主要作用的局部模型，根据文献[6]中数据，利用T-S模糊建模方法可给出子系统的对应参数矩阵如下：本文仿真采用液压缸执行器故障方案：由于液压缸为执行器件，产生的故障应加入到状态方程中，液压缸常常由于密封性能不良，出现漏油情况，从而产生不了应有的压力，达不到理想的执行效果。对于液压系统出现泄漏故障，常采用恒偏差故障模型，其故障模型解析式为：f(x,u,t)=c，c为一常数。仿真结果分析：1）PS可调螺距桨液压系统发生泄漏，出现执行器恒偏差故障，虽然从图1(a)、图2(b)中都能测得船速发生的偏值，但是本文观测器有效的抑制了干扰对船速输出的影响，提升了对故障灵敏反应。2）PS可调螺距桨液压系统出现轻微泄漏故障，图1(c)仿真图像反映了船速有较小的变化，而图1(d)由于干扰的作用，无法检测船速是否由于故障的作用而发生了一定的偏离。3）在图2(a)、图2(b)中，PS可调螺距桨液压系统出现严重泄漏故障和轻微泄漏故障，采用本文设计的观测器，都能有效的通过残差的变化，检测出故障发生的时间和大小。

5结论

本文以SPSB为基准，建立了船舶推进系统的T-S模糊模型，设计出船舶推进系统的故障观测器。仿真表明该方法可以及时准确的检查出故障发生的时间与大小，响应时间快，检测效果好；检测算法具有很强的抗干扰能力，便于观测故障对残差的真实影响，验证了本文设计的观测器对故障具有较高的敏感性和对干扰有一定的鲁棒性。为船舶推进系统的故障诊断与容错控制提供了新的思路。

作者：陈郭 张刚 佘道明 单位：宁波大学 海运学院