基于滑模的航天器執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障診斷與容錯(cuò)控制研究.pdf

1、作為航天器自主運(yùn)行必須具備的能力，在軌運(yùn)行的執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障診斷與容錯(cuò)控制是發(fā)展空間智能自主控制的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一，為提高航天器的可靠性、可維護(hù)性和有效性開辟了一條新途徑，成為當(dāng)今航天領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)。但目前主要思路是借助于地面站通過(guò)對(duì)遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和分析，對(duì)航天器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行評(píng)估和診斷及系統(tǒng)重構(gòu)，缺乏自主性和容錯(cuò)性。論文針對(duì)基于觀測(cè)器的航天器故障診斷與容錯(cuò)控制及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)有效的滑模觀測(cè)器和故障夠算法，實(shí)現(xiàn)航天器

2、執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障調(diào)節(jié)及故障信息未知時(shí)的容錯(cuò)控制。論文的主要工作包括：
　　 采用故障因子，建立了執(zhí)行機(jī)構(gòu)失效故障和偏差故障的航天器模型；設(shè)計(jì)了針對(duì)滿足Lipschitz條件的非線性系統(tǒng)滑模觀測(cè)器和故障重構(gòu)策略，對(duì)高頻抖振對(duì)系統(tǒng)地影響及滑模觀測(cè)器成立條件進(jìn)行分析；設(shè)計(jì)了基于常規(guī)滑?？刂频暮教炱髯藨B(tài)控制策略，并驗(yàn)證了系統(tǒng)的全局收斂性。
　　 基于建立的偏航軸信息不完全可觀測(cè)時(shí)的航天器狀態(tài)方程，針對(duì)同時(shí)存在未知輸入和執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障的

3、故障診斷與重構(gòu)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一類自適應(yīng)魯棒滑模觀測(cè)器，通過(guò)兩次坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)故障與未知輸入的分離，提高故障估計(jì)的靈敏度和魯棒性，所設(shè)計(jì)的具有自適應(yīng)特征的切換項(xiàng)保證了狀態(tài)觀測(cè)誤差和輸出誤差有界并收斂?？紤]常規(guī)滑模切換項(xiàng)的不連續(xù)性帶來(lái)的高頻抖振問(wèn)題，采用高階滑模觀測(cè)器方法，設(shè)計(jì)連續(xù)的控制輸入信號(hào)代替非連續(xù)控制輸入，從本質(zhì)上避免了非連續(xù)函數(shù)帶來(lái)的高頻抖振問(wèn)題。當(dāng)含有系統(tǒng)輸出噪聲時(shí)，基于魯棒和最優(yōu)控制思想，結(jié)合Schur引理和LMI設(shè)計(jì)方法，提出

4、了一類魯棒最優(yōu)滑模觀測(cè)器設(shè)計(jì)，獲得了()2意義下針對(duì)擾動(dòng)的魯棒性，得到的H∞增益也滿足設(shè)計(jì)要求，有效抑制了輸出噪聲和未知擾動(dòng)的影響，并基于所設(shè)計(jì)的觀測(cè)器，利用等效輸出注入方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障的精確重構(gòu)。
　　 考慮故障信息已知時(shí)的主動(dòng)容錯(cuò)問(wèn)題，基于故障調(diào)節(jié)和狀態(tài)反饋控制原理，設(shè)計(jì)了航天器主動(dòng)容錯(cuò)控制策略。采用偽逆原理，設(shè)計(jì)了一類非線性故障調(diào)節(jié)策略，提出的故障調(diào)節(jié)律包括標(biāo)稱控制律和附加控制律兩部分：無(wú)故障時(shí)，采用標(biāo)稱控制律；

5、故障時(shí)，采用附加控制律，保證故障時(shí)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能；針對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)失效故障的故障調(diào)節(jié)問(wèn)題，通過(guò)求解Riccati方程，設(shè)計(jì)了一類故障調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)方法，能使故障系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡精確趨近于標(biāo)稱系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，保證故障時(shí)的一致穩(wěn)定性，并采用Lyapunov穩(wěn)定性定理和Barlalat's引理驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　 針對(duì)航天器執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生失效故障且故障信息未知的容錯(cuò)控制問(wèn)題，提出了基于自適應(yīng)滑模控制器的容錯(cuò)控制策略，并進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。針對(duì)滑模控

6、制引入邊界層所帶來(lái)的穩(wěn)態(tài)誤差問(wèn)題，在滑模面設(shè)計(jì)過(guò)程中引入比例-積分環(huán)節(jié)，采用自適應(yīng)控制，對(duì)不確定參數(shù)進(jìn)行在線更新，有效抑制姿態(tài)控制中的穩(wěn)態(tài)誤差，增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性；針對(duì)系統(tǒng)有限時(shí)間快速穩(wěn)定問(wèn)題，論文基于終端滑模概念，提出了一類自適應(yīng)快速終端滑模容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)方法，在沒(méi)有故障檢測(cè)與診斷信息的情況下，利用自適應(yīng)算法在線估計(jì)得到的故障信息，設(shè)計(jì)具有魯棒性的容錯(cuò)控制器，使系統(tǒng)能在有限時(shí)間內(nèi)以指數(shù)收斂，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有限時(shí)間快速穩(wěn)定；同時(shí)，考慮實(shí)際系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)