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申请/专利权人：上海大学

摘要：本发明属于水面无人艇非线性转向控制系统的故障诊断领域，提供一种针对水面无人艇非线性转向控制系统的故障检测方法，包括：将水面无人艇非线性转向控制系统建模为离散时间T‑S模糊模型，并针对该模型构造一种新的模糊故障检测观测器处理由引入与系统中的隶属函数不同的隶属函数而引起的挑战，其中通过缩放和偏移T‑S模型中的隶属函数设计故障检测观测器中的隶属函数。利用李雅普诺夫函数，证明所构造的故障检测观测器能够保证系统的稳定性和期望的性能。最后，采用水面无人艇非线性转向控制系统模型对所提出方法进行仿真验证，结果表明本发明中的方法能够有效解决水面无人艇非线性转向控制系统的故障检测问题。

主权项：1.一种针对水面无人艇非线性转向控制系统的故障检测方法，其特征在于，步骤如下：步骤1：对于水面无人艇的非线性转向控制系统，方程描述如下： 其中ψ、ψd、β、δ分别表示实际航向、过滤后的期望航向、侧滑角和舵角；分别表示ψ的一阶导数和二阶导数；表示的三次幂；表示β的一阶导数；K和T1分别定义为增益和时间常数；α表示Norrbin系数；v表示外部干扰；Δβ表示模型不确定性，并满足|Δβ|≤ΔβmaxΔβmax＞0；θ1和θ2是标量，分别满足θ1＞0和θ2≤1；εa表示航向误差；将水面无人艇非线性转向控制系统建模为连续时间T-S模糊模型，并设计静态输出反馈控制器使得该系统稳定，同时设定采样周期离散化该模型，并考虑舵机故障，得如下模型： yk＝Cxk其中xk、yk、vk、fk分别表示系统状态、测量输出、外部扰动、执行器故障，其中外部扰动vk是能量有界的；μiyk表示模糊隶属度函数，并且满足μiyk≥0和其中∑表示求和符号，i表示模糊规则序号，r表示模糊规则总数；Ai、Di、Fi和C为系统矩阵；步骤2：构造模糊故障检测观测器，建立故障检测系统；1提出一种匹配隶属函数方法，构造模糊故障检测观测器，如下所示： 其中和rk分别表示故障检测观测器状态、输出和残差信号；j表示模糊规则序号，Aj表示观测器系统矩阵，Lj是将要被设计的观测器增益矩阵；hjyk表示模糊隶属度函数，并且满足hjyk≥0和此外，模糊系统中的隶属函数和模糊故障检测观测器中的隶属函数之间是匹配的，即存在如下关系：hjyk＝k1μjyk+k2其中0≤k1≤1和分别是比例和偏移系数；定义新的状态变量扰动变量wk＝[vTkfTk]T，故障估计误差其中M＝[1…1]T是常值矩阵；然后建立故障检测系统，如下所示： 其中 和 2建立故障检测逻辑单元用于判断故障是否发生，其中评价函数Jk如下所示： 其中k表示系统运行时刻，d表示区间[0,k]内的整数，阈值sup表示上确界；当Jk＞Jth时表示系统发生故障，Jk≤Jth表示系统未发生故障；3设计二次李雅普诺夫函数Vk分析故障检测系统的性能，如下所示：Vk＝ξTkPξk其中P＞0表示李雅普诺夫矩阵；4建立模糊故障检测观测器设计条件，如下所示：对于给定标量系数0≤k1≤1，如果存在矩阵变量其中Y22＞0，矩阵变量Λa＞0，Λb＞0，Λi＞0，Xj，以及标量λ＞0，使得如下不等式成立： 其中 Γi＝Λa+Λi 其中★表示矩阵的对称项，I为单位矩阵，其它参数已经在步骤1和步骤2中定义；则系统能够实现理想性能；5确定模糊故障检测观测器增益：定义步骤2的4中待求矩阵变量为通过求解步骤2的4中线性矩阵不等式得到矩阵Xj和矩阵Y12，然后模糊故障检测观测器增益被计算为步骤3：将模糊故障检测观测器产生的残差信号传递给故障检测逻辑单元进行评估，从而实现故障检测的目的。

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