基于模型的執(zhí)行器故障診斷及其在衛(wèi)星姿控系統(tǒng)中的應(yīng)用.pdf

1、衛(wèi)星運(yùn)行于復(fù)雜多變的太空環(huán)境中,難免會(huì)出現(xiàn)各種各樣的故障,為了增強(qiáng)其可靠性并降低對(duì)地面系統(tǒng)的依賴,衛(wèi)星必須具備自主的故障診斷與容錯(cuò)恢復(fù)能力。衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)作為衛(wèi)星的一個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng),其安全性與可靠性是保證衛(wèi)星正常運(yùn)行的前提之一。本文以衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的故障診斷為切入點(diǎn),通過分析衛(wèi)星姿態(tài)的動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)特性,建立衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,從綜合故障診斷的三大任務(wù)為出發(fā)點(diǎn),研究衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行器故障的檢測(cè)、分離與識(shí)別的集成問題。

2、>　　對(duì)小角度線性化的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行器故障,提出了基于自適應(yīng)Luenberger未知輸入觀測(cè)器的故障診斷策略。該策略通過設(shè)計(jì)一個(gè)Luenberger未知輸入檢測(cè)觀測(cè)器和一組Luenberger未知輸入分離觀測(cè)器實(shí)現(xiàn),每一個(gè)分離觀測(cè)器對(duì)應(yīng)一個(gè)特殊的可能發(fā)生的執(zhí)行器故障,當(dāng)某個(gè)分離觀測(cè)器與故障信息匹配時(shí),產(chǎn)生的殘差信號(hào)趨近于零;而對(duì)于與故障信息不匹配的分離觀測(cè)器將產(chǎn)生非零的殘差信號(hào)。故障的大小通過在線的自適應(yīng)律調(diào)節(jié)得到。基于參數(shù)化方法

3、確定檢測(cè)觀測(cè)器和自適應(yīng)分離觀測(cè)器中的各個(gè)系數(shù)矩陣。
　　從小角度線性化的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的向量二階本質(zhì)出發(fā),提出了基于自適應(yīng)未知輸入觀測(cè)器的多執(zhí)行器故障診斷策略。該策略通過重新排列組合控制器,構(gòu)成一組故障檢測(cè)與分離集合,對(duì)每一個(gè)集合設(shè)計(jì)一個(gè)觀測(cè)器,每個(gè)觀測(cè)器產(chǎn)生的殘差信號(hào)對(duì)與之對(duì)應(yīng)的集合之內(nèi)的執(zhí)行器故障魯棒抑制,而對(duì)集合之外的執(zhí)行器故障敏感。根據(jù)故障檢測(cè)與分離的結(jié)果啟動(dòng)故障估計(jì)自適應(yīng)觀測(cè)器,在線的識(shí)別故障大小。同時(shí),該策略能夠診斷

4、出同時(shí)發(fā)生的多個(gè)執(zhí)行器故障,并且避免了將向量二階的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)增廣成一階系統(tǒng)后所帶來的向量二階系統(tǒng)享有的代數(shù)結(jié)構(gòu)丟失、觀測(cè)器估計(jì)狀態(tài)不能繼續(xù)維持原有的物理信息、未知擾動(dòng)解耦條件不滿足等一些問題。
　　對(duì)于非線性衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的執(zhí)行器故障,提出了基于非線性自適應(yīng)未知輸入觀測(cè)器的執(zhí)行器魯棒故障診斷策略。執(zhí)行器的故障檢測(cè),通過設(shè)計(jì)一個(gè)非線性的未知輸入檢測(cè)觀測(cè)器實(shí)現(xiàn),使得部分的未知輸入從檢測(cè)殘差信號(hào)中完全解耦出來,而剩余的未知輸入、

5、模型不確定性、輸出噪聲等一些因素對(duì)故障診斷系統(tǒng)的影響盡量的小。故障分離仍然是通過設(shè)計(jì)一組自適應(yīng)非線性的未知輸入觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)。同樣的,每個(gè)分離觀測(cè)器對(duì)應(yīng)一個(gè)特殊的可能發(fā)生的執(zhí)行器故障,但同時(shí)也對(duì)應(yīng)著一個(gè)自適應(yīng)的閾值。當(dāng)某個(gè)分離觀測(cè)器與故障信息匹配時(shí),產(chǎn)生的殘差信號(hào)小于事先給定的自適應(yīng)閾值;對(duì)于與故障信息不匹配的分離觀測(cè)器將產(chǎn)生大于事先給定的自適應(yīng)閾值的殘差信號(hào),從而執(zhí)行器故障被分離出來。故障大小通過切換球修正的方法在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)得到。

6、>　　對(duì)于同時(shí)發(fā)生的多個(gè)執(zhí)行器故障,提出了基于分層交互式和變化結(jié)構(gòu)的多模型故障診斷策略。該策略通過設(shè)計(jì)一組平行運(yùn)行的無跡卡爾曼濾波器,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)。為了避免在研究執(zhí)行器卡死或者是效率下降故障診斷問題時(shí)多模型集合中的元素過多而導(dǎo)致故障診斷系統(tǒng)性能下降,將非線性的衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)故障模型中增廣一個(gè)故障參數(shù),不僅可以同時(shí)的估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)與故障參數(shù),還降低了模型集合數(shù)目。對(duì)于同一時(shí)刻發(fā)生的多個(gè)故障,交互式的分層結(jié)構(gòu)在診斷出一個(gè)故障之后隨即進(jìn)入