航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著航天器任務(wù)的不斷拓展，航天器結(jié)構(gòu)和功能越來(lái)越復(fù)雜，敏感器和執(zhí)行器的配置數(shù)量也不斷增加。但是，由于元器件設(shè)計(jì)水平、加工工藝水平和成本限制等客觀因素的存在，也無(wú)疑增加了航天器故障發(fā)生的概率，降低了系統(tǒng)的可靠性。故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)為提高航天器系統(tǒng)的可靠性和安全性開(kāi)辟了一條新的途徑。本文以航天器姿控系統(tǒng)為應(yīng)用對(duì)象，對(duì)航天器故障診斷與容錯(cuò)控制理論進(jìn)行了初步的研究，主要內(nèi)容如下：
　　研究了基于滑模觀測(cè)器的故障檢測(cè)與診斷方法。首先，介

2、紹了基于滑模觀測(cè)器的故障診斷原理，并給出了Walcott-Zak觀測(cè)器的設(shè)計(jì)方法。然后，利用Walcott-Zak觀測(cè)器模型，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)非線性姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型的故障觀測(cè)器，借助觀測(cè)器的殘差信號(hào)實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行器故障檢測(cè)；為了能夠?qū)崟r(shí)辨別故障類型、估計(jì)故障的嚴(yán)重程度，在不考慮系統(tǒng)外部擾動(dòng)的情況下，提出了一種基于滑模觀測(cè)器的故障重構(gòu)方法，并利用等效注入原理實(shí)現(xiàn)了故障重構(gòu)。
　　研究了基于自適應(yīng)滑模觀測(cè)器的故障重構(gòu)方法。航天器在軌運(yùn)行過(guò)程中

3、，外部擾動(dòng)對(duì)航天器的影響往往難以忽略。針對(duì)航天器姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型中存在外部擾動(dòng)的情形，提出了一種基于自適應(yīng)滑模觀測(cè)器的故障重構(gòu)方法。該方法通過(guò)引入自適應(yīng)估計(jì)算法，對(duì)執(zhí)行器故障進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與估計(jì)，同時(shí)利用滑?？刂频牟贿B續(xù)項(xiàng)抑制系統(tǒng)中的外部擾動(dòng)，消除未知輸入對(duì)故障重構(gòu)的影響，實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行器故障的精確重構(gòu)。
　　研究了基于Terminal滑模的自適應(yīng)主動(dòng)容錯(cuò)控制方法。針對(duì)航天器外部擾動(dòng)上界已知的情形，充分利用姿控系統(tǒng)中執(zhí)行器的硬件冗余條件，

4、提出了一種基于Terminal滑模的主動(dòng)容錯(cuò)控制方法。該方法不僅滿足了系統(tǒng)對(duì)容錯(cuò)性能的要求，而且能夠保證系統(tǒng)狀態(tài)在有限時(shí)間內(nèi)收斂到平衡點(diǎn)?？紤]到傳統(tǒng)的Terminal滑模對(duì)系統(tǒng)初始狀態(tài)的偏差比較敏感，而且航天器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量具有時(shí)變特性以及系統(tǒng)擾動(dòng)的上界不易獲知，提出了一種將自適應(yīng)方法和快速 Terminal滑?？刂葡嘟Y(jié)合的容錯(cuò)控制方法。該方法通過(guò)引入?yún)?shù)在線自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)，不僅使系統(tǒng)具有良好的容錯(cuò)能力，而且提高了系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的魯棒性。

5、　　研究了基于Terminal滑模的模糊被動(dòng)容錯(cuò)控制方法。針對(duì)執(zhí)行器故障信息未知的情形，提出了一種了基于Terminal滑模的模糊容錯(cuò)控制方法。該方法利用T-S模糊模型的逼近功能估計(jì)姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型中的不確定項(xiàng)，并采用自適應(yīng)方法對(duì)模糊逼近誤差和由執(zhí)行器故障引起的系統(tǒng)擾動(dòng)進(jìn)行在線估計(jì)，消除了控制器對(duì)故障信息的依賴。通過(guò)采用快速 Terminal滑模面，不僅加快了系統(tǒng)的收斂速度，而且提高了系統(tǒng)對(duì)初始狀態(tài)偏差的魯棒性。
　　本文提出的故障