衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的故障診斷與容錯方法研究.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,由于長期運行于惡劣的空間環(huán)境,尤其是敏感器、執(zhí)行機構(gòu)等部件長期不斷地在執(zhí)行各類控制操作,極易出現(xiàn)故障,進而會導(dǎo)致不可修復(fù)的嚴重后果,因此衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的故障診斷和容錯控制技術(shù)一直是航天領(lǐng)域研究熱點和難點問題。同時,由于機構(gòu)運動、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)容錯控制技術(shù)具有一定的局限性。本論文在國家自然科學(xué)基金項目(課題編號:61

2、104026)資助下,面向我國重大設(shè)施及裝備的高可靠性及長壽命戰(zhàn)略發(fā)展需求,從理論和應(yīng)用兩方面對具有不確定模型影響的衛(wèi)星姿態(tài)容錯控制問題進行了深入的研究,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)的完整性被動容錯控制設(shè)計方法。該方法利用線性不確定系統(tǒng)模型,將執(zhí)行機構(gòu)/姿態(tài)敏感器失效情況下被動容錯控制器設(shè)計轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的線性矩陣不等式的可行性問題,并進一步給出了

3、系統(tǒng)具有完整性的充分條件和魯棒H∞容錯控制器的設(shè)計方法。在對衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)模型線性化基礎(chǔ)上,采用所提方法設(shè)計了執(zhí)行機構(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)行機構(gòu)/姿態(tài)敏感器突變或緩變故障時衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的控制性能,具有對已知故障良好的容錯能力。
　　針對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)未知輸入觀測器(IL-U

4、IO)的主動容錯控制方法。首先,采用對模型不確定和干擾解耦的原理,設(shè)計了一種非線性未知輸入觀測器,增強了系統(tǒng)故障觀測的魯棒性;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信息來估計當前故障信息,跟蹤和檢測系統(tǒng)由于故障引起的改變并進而實現(xiàn)對故障的在線重構(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)行機構(gòu)故障的衛(wèi)星姿態(tài)容錯控制器設(shè)計,數(shù)學(xué)仿真結(jié)果表明IL

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

6、感器故障檢測、隔離和辨識(FDI)方法。該方法首先采用等價空間法對測量數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,構(gòu)建殘差信號;然后采用子空間法辨識出增廣觀測矩陣,進而實現(xiàn)敏感器故障魯棒檢測;并通過線性變換對等價空間進行降階,減小算法在線計算量。最后,將上述方法應(yīng)用于衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的敏感器故障問題,數(shù)學(xué)仿真結(jié)果表明,不依賴故障先驗知識,僅利用輸入輸出觀測數(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、隔離與辨識,由于采用了故障降階檢測處理,有效減少了計算量,

7、適宜于衛(wèi)星在軌應(yīng)用。
　　狀態(tài)監(jiān)測和系統(tǒng)重構(gòu)是衛(wèi)星長期自主運行的保障,也是開發(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)測和系統(tǒng)重構(gòu)環(huán)節(jié)的健康管理系統(tǒng)容錯控制體系結(jié)構(gòu);針對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)動的模式識別方法,設(shè)計了一組基于支持向量機(SVM)的非線性故障估計器,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)實現(xiàn)了故障信息的近似檢測和隔離估計;進而利用檢測的系統(tǒng)信息和辨識出的系統(tǒng)參數(shù),設(shè)計了學(xué)