深海载人潜水器的精细容错控制与自救技术

The characteristics of nonlinearities, time-varying parameters, multiple closed-loop control and the uncertain disturbance in the deep-sea environment challenge the traditional fault tolerant control techniques for the deep-sea human occupied vehicles. Moreover, the factors of Human-in-the-loop make it difficult to assess the system safety. This project focuses on the precision fault tolerant control and self-rescue technology for the deep-sea human occupied vehicles. For the tolerable faults, fault diagnosis of closed-loop system and fault tolerant control method based on precise fault compensation for the deep-sea human occupied vehicles will be investigated. Breakthroughs in active fault diagnosis, intelligent fault diagnosis, precision fault tolerant control as well as collaborative design issues for fault diagnosis and fault tolerant control are expected. For the catastrophic faults, the key technology of self-rescue system of deep-sea human occupied vehicles will be studied. Innovative results in safety assessment methods, fault safety management techniques and high-reliable emergency jettison system are expected. A new semi-physical platform will be established for deep-sea human occupied vehicles to verify the effectiveness of the proposed precision fault tolerant control and self-rescue technology, based on which further simulations and underwater experiments can also be conducted. In a word, this project aims to provide the theoretical and technical foundation for the development and operation of deep-sea equipment. Moreover, the project also has a significant sense to improve the reliability and safety of the deep-sea human occupied vehicles and enhance the power of Chinese marine equipment.

深海载人潜水器非线性、变参数、多闭环控制的特点及深海环境中的不确定扰动使传统的容错控制理论面临挑战，而人在回路的特性又给深海载人潜水器的安全性评估理论带来了困难。本项目围绕深海载人潜水器的精细容错控制与自救技术进行研究。针对可容错故障，研究深海载人潜水器的闭环系统故障诊断、基于故障精细补偿的容错控制方法，拟在主动故障诊断、智能故障诊断、精细容错控制、诊断与容错协同设计问题上获得突破。针对灾难性故障，围绕深海载人潜水器自救系统的关键技术展开研究，在安全性评估方法、故障安全管理技术及高可靠性抛载系统方面取得创新性成果。研制深海载人潜水器精细容错控制与自救技术验证平台，完成“蛟龙号”载人潜水器的半实物仿真验证和水下试验。研究成果将为我国深海装备的开发、运行提供必要的理论方法准备，对增强我国深海载人潜水器的可靠性与安全性，提升我国海洋装备实力具有重要意义。

五年来，项目组围绕深海载人潜水器的精细容错控制与自救技术进行研究，超额完成了计划书中的内容。在理论方法研究方面，较系统、较深入地研究了动态系统的主动故障诊断方法、动态系统智能故障诊断技术、动态系统精细容错控制方法、故障诊断与容错控制协同设计方法、动态系统实时安全性评估方法、全运行周期安全管理技术等挑战性问题。取得了高水平论文、专利、获奖等多种形式的系列重要理论技术创新，并逐渐形成了国际影响力。在验证平台研制方面，项目组研发了一套面向精细容错控制与自救技术的验证平台，基于此平台进行了故障诊断、容错控制与自救技术等典型方法的验证。项目组共发表录用学术论文143篇，其中SCI论文95篇，包括IEEE Transactions on Automatic Control、Automatica、IEEE Transactions on Industrial Electronics、IEEE Transactions on Industrial Informatics等国际著名期刊40篇。多篇会议论文获得优秀论文奖，包括2021年全国技术过程故障诊断与安全性会议的方崇智优秀论文一等奖（“蛟龙号”实时安全性评估研究）及2022年中国过程控制会议的张钟俊院士优秀论文奖（闭环系统过程监控研究）。项目组共申请国家发明专利41项，其中已授权29项。获得省部级及以上奖励8项，包括2018年吉林省科学技术一等奖、2020年中国自动化学会自然科学一等奖。项目累计支持培养博士研究生25名，硕士研究生37名。培养学生郜晨获得2022年中国自动化学会优秀博士学位论文，项目组成员朱延正获得2022年国家自然科学基金优青项目资助。项目组研发的“蛟龙号”深潜器安全性评估技术已得到“蛟龙号”潜航员与运维专家的高度认可，并取得了理想的应用效果，填补了“蛟龙号”深潜器实时安全性评估研究的空白。项目系列研究成果对增强我国深海载人潜水器的可靠性与安全性，提升我国海洋装备实力具有积极意义。

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