傳感器故障下發射裝置筒蓋系統的容錯控制

衛 超，沈 剛，殷士才，李 翔，湯 裕

(1.中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450000； 2.中國礦業大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116)

引言

潛艇是公認的戰略性武器，有隱身性能好、機動能力強、突襲威力大等優點[1]。筒蓋系統是導彈發射裝置的重要組成部分，主要用于實現導彈垂直發射前后的開啟和關閉功能，為導彈發射提供通道。為了潛艇導彈順利發射，必須保障筒蓋系統的順利啟閉，保障其開關蓋運行的穩定性[2]。

筒蓋系統的伺服動力系統主要由電液系統組成，實現筒蓋裝置的啟閉功能[3]。筒蓋系統隨潛艇在復雜海洋環境下服役，筒蓋裝置發生未知故障的風險提高，在潛艇運行過程中無法人為對其設備進行修復干預。角度傳感器作為筒蓋系統大閉環控制的重要裝置，其運行工況的穩定性，直接影響到筒蓋系統開關蓋過程的穩定性[4]。因此，提高筒蓋系統的可靠性和安全性，保障筒蓋系統在傳感器故障工況下的可靠運行，對潛艇導彈順利發射具有重要意義。

為了實現筒蓋系統在傳感器故障工況下的安全穩定運行，首先要對其進行傳感器故障工況的狀態估計實現筒蓋系統的故障信號提取與診斷。故障信號的提取分析是一個多學科融合的研究領域。勵文艷等[5]將局部s變換和極限學習機結合的分析技術引入，用于診斷柱塞泵滑靴磨損故障；張兆東等[6]基于小波分析提取液壓缸內泄漏故障特征值，同時運用小波變換獲得信號時頻特性，實時判斷液壓缸內泄漏故障；杜名喆等[7]提出了一種將經驗小波變換和卷積神經網絡融合的液壓泵故障分類診斷方法；郭雋俠等[8]將子空間辨識應用于判斷液壓缸泄漏故障的類型與嚴重程度。特別地，對于傳感器故障的診斷分析，張文瀚等[9]針對具有傳感器故障和未知擾動與測量噪聲的線性離散系統,提出了一種傳感器故障區間估計方法；NOSHIRVANI G[10]提出了一種基于模型的魯棒故障檢測與隔離方法，該方法能夠在噪聲環境下檢測傳感器故障；JIA W H等[11]使用未知輸入觀測器來生成殘差，該方法通過解耦未知輸入與狀態估計誤差來實現殘差與未知輸入之間的解耦。

為了實現筒蓋系統在傳感器故障工況下的安全穩定運行，保障筒蓋系統對故障的不敏感性，對其進行容錯控制器設計。郝立穎等[12]針對帶有推進器故障的船舶動力定位系統, 設計一種可在線辨識故障信息的自適應滑模容錯控制器；劉聰等[13]基于線性矩陣不等式設計了狀態和故障一體化的魯棒主動容錯控制器，實現執行器故障的魯棒重構；LIU X H等[14]基于定量反饋技術設計了非線性系統的容錯控制器，并基于QFT設計了相應的魯棒控制器，保證了系統在故障模式下的穩定性；沈世焜等[15]設計了雙層Kalman濾波器分別實現對執行器間歇故障的檢測隔離和濾波器增益重構，并利用最優估計結合線性二次型高斯等構造主動容錯控制器,保證間歇故障時的系統可控性。

本研究針對筒蓋系統啟閉過程的傳感器故障工況，提出了一種結合PI觀測器與魯棒控制器的容錯控制，實現了筒蓋系統在傳感器故障工況下的自愈合，降低了筒蓋系統對傳感器故障的敏感性。

1 筒蓋系統的非線性數學模型

發射裝置筒蓋系統伺服作動系統如圖1所示，該閥控缸采用比例調速閥進行系統控制。假設其是零開口閥，供油壓力ps恒定，回油壓力p0為0 MPa。

圖1 發射裝置筒蓋系統伺服作動系統Fig.1 Schematic diagram of servo actuation system for launcher switch cover system

忽略油液特性，筒蓋系統流程方程表示如下：

(1)

式中，Cd—— 閥內節流口流量系數

ω—— 閥芯周長

xv—— 閥芯位移

kR—— 比例調速閥減壓彈簧剛度

xc—— 節流口開口為0時彈簧壓縮量

ρ—— 液壓油密度

AR—— 減壓閥芯的最大截面積

pL是負載壓降，定義為pL=p1-p2。閥控缸的流量連續性方程為：

(2)

式中，Ap—— 活塞有效作用面積

Ctp—— 閥控缸內泄漏系數

Vt—— 閥控缸兩腔的總容積

βe—— 油液有效體積彈性模量

忽略筒蓋系統摩擦阻力，筒蓋系統的力平衡方程為：

(3)

式中，m—— 執行機構閥控缸恒定負載質量

Bp—— 液壓缸黏性阻尼系數

FL—— 筒蓋系統的未知干擾和筒蓋自身重力

2 控制器設計

如圖2所示是筒蓋系統安全運行容錯控制方案，基于觀測器實現對傳感器故障實時估計，利用信號重構技術實現對筒蓋系統的傳感器故障工況下安全穩定運行。

圖2 發射裝置筒蓋系統安全運行容錯控制Fig.2 Schematic diagram of fault tolerant control for safe operation of launcher switch cover system

2.1 故障觀測器的設計

導彈發射裝置的筒蓋系統最為常見、影響最大的傳感器故障工況是因光電編碼器出現故障而導致的角度信號反饋故障，可按照其故障性質將故障形式劃分為非恒定性故障、突變性故障和完全失效故障。其中非恒定性故障為傾角傳感器增益異常降低，傳感器將系統的實際狀態降低后反饋輸出至控制系統；突變性故障表現形式為角度反饋與系統真實狀態之間持續為某一差值狀態；完全失效故障表現形式為持續向控制系統反饋不變值。

上述3種傳感器故障均會造成系統實際的輸出值與被控對象的真實變量不一致，造成無法完成開關蓋運行控制。上述傳感器故障形式可統一表示為：

ysf(t)=Cxi(t)+φsfvsf(t)

(4)

式中，xi(t) —— 筒蓋系統的真實狀態變量

ysf(t) —— 筒蓋系統的傳感器測得的狀態變量

vsf(t) —— 筒蓋系統傳感器的故障函數

C—— 筒蓋系統的常數矩陣

φsf—— 筒蓋系統的故障分配矩陣

為實現對筒蓋系統傳感器故障進行補償，根據上述故障描述，對發射裝置筒蓋系統設計了PI觀測器對其傳感器故障值進行估計，對其故障反饋信號進行重構矯正。設計的PI觀測器如下所示：

(5)

式中,KP，H—— 觀測器的增益矩陣

定義觀測器誤差：

=Ax(t)+Bu(t)+w-

(6)

將式(6)進行如下表示：

(7)

定義Ae：

(8)

定義Lyapunov函數：

(9)

則：

(10)

則保障KP=P-1Y,H=Q-1M滿足式(10)即可。

(11)

2.2 容錯控制器的設計

基于傳感器故障重構信號，選取筒蓋系統狀態變量如下：

ysft=[ysft1ysft2ysft3]

(12)

結合式(11)以及筒蓋系統的系統建模，其閉環控制狀態方程如下：

(13)

根據建立的傳感器故障工況下筒蓋系統的狀態方程，設計容錯控制系統的控制器，其具體設計過程如下：

定義系統誤差，其中Ξ1，Ξ2為虛擬控制變量：

(14)

第一步：定義筒蓋系統容錯控制過程中的角度軌跡偏差：

Λsft1=ysft1-Θr

(15)

筒蓋系統容錯控制誤差導數為：

(16)

定義容錯信號誤差ysft1的Lyapunov函數Vsft1：

(17)

求得Lyapunov函數Vsft1的導數：

則定義虛擬控制變量為：

(19)

則：

(20)

為了保障一階控制系統穩定，開展容錯控制器下一步工作，使Λsft2→0。

第二步：結合二階虛擬控制變量得到二階誤差導數：

(21)

同時考慮θsft1參數的不確定性，將式(21)改寫為：

(22)

定義二階系統的Lyapunov函數Vsft2：

(23)

其中，Γ1為θsft1的自適應變化率增益。

則得到Lyapunov函數Vsft2微分方程表達式為：

(24)

定義三階虛擬變量如下：

(25)

則Vsft2微分方程的以下表達式如下：

(26)

先不考慮其他不確定參數，為了保障二階系統的穩定性，開展容錯控制器下一步工作，使Λsft3→0。

第三步：結合上述表達式得到三階虛擬變量微分方程：

(27)

式中：

(28)

考慮其他不確定系統參數得到筒蓋系統Λsft3的Lyapunov函數Vsft3：

(29)

其導數為以下形式：

(30)

為了保障筒蓋系統穩定性，得到其容錯控制輸入信號為：

(31)

筒蓋系統不確定性參數自適應率如下：

(32)

結合上述公式，得到以下方程：

(33)

因此，證明筒蓋容錯控制系統穩定。

2.3 仿真驗證

利用Simulink搭建了筒蓋系統故障模擬仿真平臺，對其進行傳感器故障注入。

首先，利用MATLAB中的Simulink對推導的反步控制器進行仿真驗證，其中筒蓋系統物理參數如表1所示。

表1 液壓系統參數列表Tab.1 Parameters of hydraulic system

如圖3所示，基于故障觀測器的容錯控制器在其關蓋期間實現了筒蓋系統在傳感器故障工況下的平穩運行，降低了傳感器故障筒蓋系統造成的損害。其中，筒蓋角度為a，誤差角度為a1。

圖3 傳感器故障工況容錯控制器性能仿真對比Fig.3 Performance simulation of fault tolerant controller under sensor malfunction

3 試驗驗證

3.1 試驗臺

水下發射井筒開關蓋試驗模擬裝置如圖4所示，該裝置主要由閥控缸作為動力源控制筒蓋進行開蓋運動和關蓋運動，進而模擬發射期間的啟閉運行動作。有內嵌式編碼器反饋筒蓋開蓋與關蓋時刻角度，實現筒蓋系統的閉環控制。

圖4 水下發射井筒開關蓋試驗裝置Fig.4 Experimental equipment for underwater launcher switch cover system

圖5是水下發射井筒開關蓋裝置試驗臺控制系統原理圖。

圖5 水下發射井筒開關蓋裝置試驗臺控制原理Fig.5 Control principle of experimental equipment for underwater launcher switch cover system

筒蓋系統的運行軌跡控制信號由工控機發送電壓信號-10～10 V的驅動信號實現筒蓋系統的開關蓋作業，由D/A板卡ACL-6126發送，產生調速閥電壓信號并經過信號調理系統轉換為-40～40 mA的電流信號進行控制調速閥的開口大小，最終實現對筒蓋裝置的運行控制。

3.2 試驗結果

通過系統模擬裝置，注入相應的傳感器故障，進行筒蓋系統傳感器故障工況模擬。圖6為筒蓋系統在傳感器故障工況下無容錯控制筒蓋角度狀態對比圖，從圖中可以明顯得出，當筒蓋系統發生傳感器故障工況后無法正常完成開關蓋運動，并對筒蓋裝置造成損害。圖7為筒蓋系統傳感器故障工況容錯控制性能對比圖，在關蓋運行狀態中注入了傳感器故障，對比了無故障運行、故障無容錯運行和故障容錯運行系統實際狀態。從圖中可以明顯看出，本研究提出的容錯控制器實現了對傳感器故障的抑制，一定程度上保障了筒蓋系統在傳感器故障工況下的運行狀態。同時根據表2可以更直觀地得出，本研究提出的容錯控制器對筒蓋系統的傳感器故障起到了一定的抑制作用。

表2 筒蓋系統容錯控制定量分析Tab.2 Quantitative analysis for fault tolerant control of launcher switch cover system

圖6 故障工況運行效果Fig.6 Operation effect under sensor malfunction

圖7 故障工況控制性能對比Fig.7 Performance comparison of controllers under sensor malfunction

4 結論

針對水下發射井筒開關蓋裝置的傳感器故障工況，設計了基于故障觀測器的筒蓋系統容錯控制系統，并根據搭建的筒蓋裝置模擬設備進行了試驗驗證。試驗結果表明，本研究提出的水下發射井筒開關蓋裝置的傳感故障容錯控制理論，對筒蓋系統的傳感器故障起到了一定的故障抑制，實現了筒蓋系統的故障自愈，一定程度保障了其穩定運行。