海洋与国家的安全和发展息息相关,各国竞相发展各类型舰船。近年来,远洋船舶大型化、节能化和高环保已成为发展趋势。为了提高船舶运营的经济效益,必须提高船舶控制系统的有效性、安全可靠性和稳定性。对船舶的控制系统的要求是船体能够不受外界环境的干扰保持运行在一定的速度和正确的路线,传统的检测和切除故障方法难以实现快速准确的效果,由此容错控制技术成为船舶控制领域的研究热点。目前国内研究机构对船舶控制系统的研究主要集中在容错控制方法上,没有故障注入平台的支持。因此本文在对船舶控制技术需求分析的基础上,提出了一套为船舶容错控制技术研究提供支持的故障模拟及诊断装备软硬件实现方案,主要工作如下:(1)通过分析软件实现的故障注入方法、基于模拟的故障注入方法和基于物理的故障注入方法这三种故障注入方法的优缺点,并结合船舶控制系统实际运行可能出现的故障类型,本文故障注入选用基于物理的故障注入方法,并采用硬件实现。针对传统故障电路接入的繁琐和断电接线消耗时间等缺点,本文介绍了耳塞式连接器的工作原理,并提出基于耳塞式连接器的实时故障注入方法。此方法将多种类型故障的产生电路规范化为统一机箱,并形成故障注入装置。在需要注入故障时使用支持热插拔的耳塞式插头连接机箱,提高了系统的灵活性与可靠性。(2)设计了船舶控制系统模拟故障的具体硬件电路实现方案,故障主要包括用来模拟电磁干扰串入电压信号传输过程的电压型模拟故障、用来模拟电磁干扰串入电流信号传输过程的电流型模拟故障、用来模拟信号传输过程中通信线路出现各种通信故障的阻抗型模拟故障和用来模拟系统开关误动作的开关量模拟故障。并对这四种故障电路进行了实验验证,实验结果证明故障注入电路的有效性和正确性。(3)设计了基于Delphi的故障设置计算机系统,给出了故障设置主程序以及通道搜索、故障注入、恢复正常、装载记录四大功能实现的程序流程图。设计了基于DSP+FPGA控制器的故障注入系统,给出了主控制器DSP的详细程序流程图。两者共同组成故障设置及注入系统的软件方案。(4)本地控制装置是船舶控制系统故障模拟及诊断的重要组成部分,本文对其基本原理进行了阐述,针对船舶阀控操舵系统提出了一种模糊递推积分PI控制方法,它结合了模糊控制技术和递推积分PI控制技术的优点,实验结果表明此控制方法可以实现船舶闭环控制系统的无差跟踪。针对船舶运行环境采集到的信号可能存在的干扰,提出了一种适合用于船舶控制系统的改进数字滤波方法,实验结果表明此滤波方法可以达到理想的滤波效果。(5)对本地控制单元的硬件和软件进行了设计。硬件采用CPCI板卡和CPCI工控机来实现数据采集、控制执行、通信、显示等功能;软件采用Delphi进行设计,给出了数据采集、控制执行、通信、显示功能的程序流程图。本文针对船舶控制系统研制出的故障模拟及诊断装备,可实时模拟船舶运行在真实环境下可能发生的各类故障。将本地控制单元采集到的真实数据接入故障设置及注入装置实现信号叠加,再将叠加故障后的信号送至容错计算机进行容错运算,本地控制单元接收容错计算机的控制指令完成对泵控、阀控等系统的闭环控制。因此,本文提出的故障模拟及诊断装备对提高船舶安全稳定运行具有重要意义。