衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的故障診斷與容錯(cuò)方法研究.pdf

1、姿態(tài)控制系統(tǒng)是保障衛(wèi)星在軌正常工作的核心部分,由于長(zhǎng)期運(yùn)行于惡劣的空間環(huán)境,尤其是敏感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部件長(zhǎng)期不斷地在執(zhí)行各類(lèi)控制操作,極易出現(xiàn)故障,進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致不可修復(fù)的嚴(yán)重后果,因此衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的故障診斷和容錯(cuò)控制技術(shù)一直是航天領(lǐng)域研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。同時(shí),由于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、燃料消耗及空間環(huán)境影響等將導(dǎo)致在軌衛(wèi)星的系統(tǒng)模型參數(shù)發(fā)生未知變化,傳統(tǒng)上基于精確模型的姿態(tài)容錯(cuò)控制技術(shù)具有一定的局限性。本論文在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(課題編號(hào):61

2、104026)資助下,面向我國(guó)重大設(shè)施及裝備的高可靠性及長(zhǎng)壽命戰(zhàn)略發(fā)展需求,從理論和應(yīng)用兩方面對(duì)具有不確定模型影響的衛(wèi)星姿態(tài)容錯(cuò)控制問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究,取得如下研究成果。
　　考慮存在各種噪聲、未知干擾和模型不確定性,引入魯棒H∞控制理論,提出了一種面向線性不確定系統(tǒng)的完整性被動(dòng)容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)方法。該方法利用線性不確定系統(tǒng)模型,將執(zhí)行機(jī)構(gòu)/姿態(tài)敏感器失效情況下被動(dòng)容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的線性矩陣不等式的可行性問(wèn)題,并進(jìn)一步給出了

3、系統(tǒng)具有完整性的充分條件和魯棒H∞容錯(cuò)控制器的設(shè)計(jì)方法。在對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型線性化基礎(chǔ)上,采用所提方法設(shè)計(jì)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)/姿態(tài)敏感器故障狀態(tài)下的衛(wèi)星姿態(tài)魯棒H∞容錯(cuò)控制器,數(shù)學(xué)仿真分析表明該控制器能夠保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)/姿態(tài)敏感器突變或緩變故障時(shí)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的控制性能,具有對(duì)已知故障良好的容錯(cuò)能力。
　　針對(duì)存在未知干擾輸入的Lipschitz非線性系統(tǒng),融合基于模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制技術(shù),提出了一種基于迭代學(xué)習(xí)未知輸入觀測(cè)器(IL-U

4、IO)的主動(dòng)容錯(cuò)控制方法。首先,采用對(duì)模型不確定和干擾解耦的原理,設(shè)計(jì)了一種非線性未知輸入觀測(cè)器,增強(qiáng)了系統(tǒng)故障觀測(cè)的魯棒性;在此基礎(chǔ)上,利用被控系統(tǒng)的I/O數(shù)據(jù),采用迭代學(xué)習(xí)利用上一步的故障觀測(cè)信息來(lái)估計(jì)當(dāng)前故障信息,跟蹤和檢測(cè)系統(tǒng)由于故障引起的改變并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的在線重構(gòu)。采用Lyapunov穩(wěn)定性理論證明了IL-UIO的魯棒穩(wěn)定和速度誤差的一致有界性。將所提方法應(yīng)用于面向執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障的衛(wèi)星姿態(tài)容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì),數(shù)學(xué)仿真結(jié)果表明IL

5、-UIO能夠有效跟隨過(guò)去的故障系統(tǒng),確保一定系統(tǒng)性能的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)飛輪故障的容錯(cuò),由于采用了基于模型的觀測(cè)器與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法相結(jié)合,二者相互滲透、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),即可增強(qiáng)系統(tǒng)殘差對(duì)未知干擾輸入的魯棒性,又提高了系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的使用質(zhì)量。
　　由于衛(wèi)星姿態(tài)敏感器故障會(huì)污染到下一時(shí)刻其它健康敏感器的測(cè)量信息,影響對(duì)真正故障源的準(zhǔn)確判斷,對(duì)此,考慮衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)發(fā)生的未知變化,基于PCA和SIM識(shí)別技術(shù),提出了一種基于子空間數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的衛(wèi)星姿態(tài)敏

6、感器故障檢測(cè)、隔離和辨識(shí)(FDI)方法。該方法首先采用等價(jià)空間法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,構(gòu)建殘差信號(hào);然后采用子空間法辨識(shí)出增廣觀測(cè)矩陣,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)敏感器故障魯棒檢測(cè);并通過(guò)線性變換對(duì)等價(jià)空間進(jìn)行降階,減小算法在線計(jì)算量。最后,將上述方法應(yīng)用于衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的敏感器故障問(wèn)題,數(shù)學(xué)仿真結(jié)果表明,不依賴(lài)故障先驗(yàn)知識(shí),僅利用輸入輸出觀測(cè)數(shù)據(jù),就能夠在線完成未知系統(tǒng)模型情況下的敏感器故障檢測(cè)、隔離與辨識(shí),由于采用了故障降階檢測(cè)處理,有效減少了計(jì)算量,

7、適宜于衛(wèi)星在軌應(yīng)用。
　　狀態(tài)監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)重構(gòu)是衛(wèi)星長(zhǎng)期自主運(yùn)行的保障,也是開(kāi)發(fā)星上健康管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,首先,給出了一種含有狀態(tài)監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)重構(gòu)環(huán)節(jié)的健康管理系統(tǒng)容錯(cuò)控制體系結(jié)構(gòu);針對(duì)存在未知干擾輸入的非線性系統(tǒng),采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模式識(shí)別方法,設(shè)計(jì)了一組基于支持向量機(jī)(SVM)的非線性故障估計(jì)器,利用正常操作條件下和各種故障狀態(tài)下的歷史數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了故障信息的近似檢測(cè)和隔離估計(jì);進(jìn)而利用檢測(cè)的系統(tǒng)信息和辨識(shí)出的系統(tǒng)參數(shù),設(shè)計(jì)了學(xué)