学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

导航系统故障检测与诊断及其相关理论问题的研究

作　者: 张玲霞
导　师: 陈明
学　校: 西北工业大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 故障检测与隔离故障检测与诊断奇偶空间 GLT方法 OPT方法鲁棒圆锥误差划船误差高动态环境捷联惯组
分类号: V249.32
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
下　载: 1309次
引　用: 6次
阅　读: 论文下载

内容摘要

随着现代控制理论、计算机技术和航空航天技术的发展,对导航系统的精度和可靠性要求越来越高。采用误差补偿技术和容错技术是提高导航系统精度和可靠性的重要措施。本论文的研究旨在追踪国际国内前沿,重点研究导航系统故障检测与诊断方法以及高动态环境下捷联惯性导航系统(SINS)的不可交换误差——圆锥误差和划船误差的补偿技术。受第二炮兵工程学院的委托,对捷联惯性组件(陀螺和加速度计)误差系数的验前数据分析及其概率统计建模也作了初步探索。对SINS中冗余配置的传感器量测系统的软故障,研究了目前常用的广义似然比检验(GLT)和最优奇偶向量检验(OPT)方法,主要讨论两种方法的有效性问题。首先,对由同类型同精度的单轴传感器构成的冗余量测系统,研究了两种方法故障隔离函数之间的关系,指出OPT方法进行故障检测存在的问题,从理论上分析了出现此问题的原因。进而,对OPT方法中的故障检测函数进行了修正。证明了用修正后的OPT方法和GLT方法进行故障检测和隔离是完全等效的。其次,对于一般的传感器冗余测量系统,证明了当故障输入阵和量测噪声输入阵之间成倍数关系时,两种方法的故障检测与隔离效果也是完全相同的。最后,为了研究更一般情况下GLT方法和OPT方法的故障检测与隔离(FDI)效果,将它们应用于双轴陀螺传感器冗余量测系统,并进行了仿真试验,得出了许多有意义的结论和满意的结果。对基于系统量测方程和状态方程的动态系统,研究了系统的鲁棒故障检测与诊断(FDD)问题。首先,分析了系统鲁棒故障检测残差设计的基本原理及其性能指标。然后,根据鲁棒设计原理,将OPT方法进行推广,设计出对系统特定故障类型敏感、而对其它故障和量测噪声不敏感的鲁棒奇偶残差,得到了鲁棒FDD方法。最后,将鲁棒FDD方法和常用的FDD方法应用于组合导航系统,通过Monte-Calro仿真,对提出的理论与方法进行了验证。讨论了高动态环境下,SINS中不可交换误差的补偿算法。首先,根据旋转矢量微分方程,分析了不可交换误差产生的根源,给出圆锥误差补偿量及其一般形式。其次,介绍了算法的对偶性原理,根据算法的对偶性原理和圆锥误差补偿的一般形式,得到了陀螺和加速度计任意子样数下划船误差补偿的一般形式。在经典的划船运动条件下,对划船误差补偿算法的系数进行优化,得到了优化后的通用公式及其算法误差主项。基于该方法可以充分利用圆锥误差算法的已有结果,由计算机编程计算得到划船误差补偿的任意子样数算法,无需繁琐的重复推导,既方便又准确。基于新兴的现代统计理论,将Bootstrap方法和随机加权法与数据融合理论结

全文目录

摘要  4-6
英文摘要  6-8
目录  8-12
第一章绪论  12-23
  1.1 选题意义  12-13
  1.2 故障检测与诊断技术  13-20
    1.2.1 基于硬件冗余的FDD方法  14-15
    1.2.2 基于解析冗余的FDD方法  15-18
    1.2.3 基于神经网络及小波变换的FDD方法  18-20
  1.3 高动态环境下的SINS不可交换误差的补偿  20-21
  1.4 捷联惯组误差系数验前分布建模  21
  1.5 论文结构安排  21-23
第二章系统故障检测与诊断基础及相关矩阵知识  23-39
  2.1 前言  23-24
  2.2 残差序列的概率假设检验  24-30
    2.2.1 假设检验中常用的几种概率分布  24-26
    2.2.2 检验统计量构造  26-27
    2.2.3 残差序列的置信区间估计及其检验  27-30
  2.3 提高软故障检测灵敏度的常用方法  30-33
    2.3.1 多样本检验  30-31
    2.3.2 数据窗检验  31-32
    2.3.3 序列概率比检验  32-33
  2.4 故障决策的阈值选取原则及其方法  33-36
    2.4.1 根据原部件的允差选取门限  34
    2.4.2 利用统计原理选取门限  34-35
    2.4.3 代价函数法  35
    2.4.4 蒙特卡罗仿真试验法  35-36
  2.5 矩阵代数基础  36-38
    2.5.1 矩阵运算  36
    2.5.2 矩阵的广义逆  36-37
    2.5.3 矩阵的奇异值  37-38
  2.6 小结  38-39
第三章基于奇偶空间的导航系统的故障检测与诊断  39-80
  3.1 前言  39
  3.2 冗余传感器故障检测与诊断的GLT方法和OPT方法  39-57
    3.2.1 GLT方法的残差产生、故障检测、隔离与故障幅值估计  40-43
    3.2.2 GLT中虚警率、漏检率和误隔离率计算及奇偶矩阵选取  43-45
    3.2.3 OPT方法的基本思想及最优奇偶向量设计  45-47
    3.2.4 OPT方法的故障检测与隔离决策  47-48
    3.2.5 GLT和OPT方法在单轴传感器冗余配置系统中的仿真应用  48-57
  3.3 OPT方法故障检测与隔离策略存在的问题及其原因  57-59
    3.3.1 OPT方法故障检测与隔离策略存在的问题  57-58
    3.3.2 OPT方法存在高虚警率的原因  58-59
  3.4 OPT方法与GLT方法的内在联系与实质  59-66
    3.4.1 GLT方法与OPT方法构造的故障隔离函数的内在联系  60-63
    3.4.2 OPT方法的故障检测函数构造  63-65
    3.4.3 用OPT方法与GLT方法进行故障检测与诊断的等效性  65
    3.4.4 结论  65-66
  3.5 基于一般冗余量测方程的GLT和OPT方法  66-78
    3.5.1 一般冗余量测方程与GLT故障检测与隔离方法  66-68
    3.5.2 OPT方法的故障检测、隔离与故障估计  68-72
    3.5.3 故障的可检测性与可分离性  72-73
    3.5.4 双轴传感器冗余量测系统的故障检测与诊断  73-75
    3.5.5 仿真应用  75-78
    3.5.6 结论  78
  3.6 小结  78-80
第四章系统的鲁棒故障检测与诊断方法  80-95
  4.1 前言  80
  4.2 奇偶空间法的鲁棒设计指标  80-84
    4.2.1 具有时间冗余的测量模型  80-82
    4.2.2 鲁棒设计原理及其性能指标  82-84
  4.3 对特定故障类型敏感的鲁棒向量设计  84-86
    4.3.1 随机系统测量模型的标准形式  85
    4.3.2 对特定故障敏感的性能指标及其向量设计  85-86
  4.4 组合导航系统的鲁棒故障检测与诊断  86-94
    4.4.1 前言  86-87
    4.4.2 系统相对误差测量模型  87-88
    4.4.3 常用的FDD方法  88-89
    4.4.4 鲁棒FDD方法  89-91
    4.4.5 仿真应用  91-93
    4.4.6 结论  93-94
  4.5 小结  94-95
第五章高动态环境下SINS不可交换误差的补偿  95-108
  5.1 前言  95-96
  5.2 高动态环境下SINS圆锥误差的补偿  96-98
    5.2.1 捷联姿态解算的递推旋转矢量法  96-97
    5.2.2 圆锥误差补偿量及其一般形式  97-98
  5.3 高动态环境下SINS划船误差的补偿  98-106
    5.3.1 划船误差补偿量  98-100
    5.3.2 算法的对偶性原理  100
    5.3.3 对偶性原理在划船误差算法推导中的应用  100-101
    5.3.4 划船误差算法的一般形式及其系数优化的计算公式  101
    5.3.5 划船补偿算法系数优化的计算公式及其算法实例  101-106
  5.4 圆锥误差和划船误差补偿算法的比较分析及其结论  106-107
  5.5 小结  107-108
第六章多组SIMU误差系数的验前分布建模  108-120
  6.1 前言  108
  6.2 捷联惯组的误差模型  108-110
    6.2.1 陀螺仪的误差模型  109-110
    6.2.2 加速度计的误差模型  110
  6.3 Bootstrap估计方法和随机加权估计方法简介  110-113
    6.3.1 Bootstrap估计方法的中心思想  111
    6.3.2 随机加权法的中心思想  111-113
  6.4 多组验前信息的Bootstrap和随机加权融合估计方法  113-115
    6.4.1 多组验前信息和当前信息相容时  113-114
    6.4.2 多组验前信息和当前信息不相容时  114-115
    6.4.3 多组验前信息的Bootstrap和随机加权融合估计  115
  6.5 惯组误差系数的验前分布建模举例  115-118
  6.6 多组惯组误差系数的正态性检验结果  118-119
  6.7 结论及结束语  119-120
第七章总结  120-124
  7.1 论文的主要成果和创新点  121-123
  7.2 今后的研究方向  123-124
附录一双轴陀螺传感器故障检测与隔离结果  124-133
附录二划船误差补偿算法优化系数的Matlab程序  133-134
附录三论文中的符号及英文缩写词汇  134-136
参考文献  136-143
攻读博士学位期间发表的论文及所获奖励  143-145
致谢  145-146
西北工业大学学位论文知识产权声明书  146
西北工业大学学位论文原创性声明  146

导航系统故障检测与诊断及其相关理论问题的研究

内容摘要

全文目录

相似论文