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基于模型的执行器故障诊断及其在卫星姿控系统中的应用

高春岩  
【摘要】:卫星运行于复杂多变的太空环境中,难免会出现各种各样的故障,为了增强其可靠性并降低对地面系统的依赖,卫星必须具备自主的故障诊断与容错恢复能力。卫星姿态控制系统作为卫星的一个关键子系统,其安全性与可靠性是保证卫星正常运行的前提之一。本文以卫星姿态控制系统的故障诊断为切入点,通过分析卫星姿态的动力学与运动学特性,建立卫星姿态控制系统的数学模型,从综合故障诊断的三大任务为出发点,研究卫星姿态控制系统执行器故障的检测、分离与识别的集成问题。 对小角度线性化的卫星姿态控制系统执行器故障,提出了基于自适应Luenberger未知输入观测器的故障诊断策略。该策略通过设计一个Luenberger未知输入检测观测器和一组Luenberger未知输入分离观测器实现,每一个分离观测器对应一个特殊的可能发生的执行器故障,当某个分离观测器与故障信息匹配时,产生的残差信号趋近于零;而对于与故障信息不匹配的分离观测器将产生非零的残差信号。故障的大小通过在线的自适应律调节得到。基于参数化方法确定检测观测器和自适应分离观测器中的各个系数矩阵。 从小角度线性化的卫星姿态控制系统的向量二阶本质出发,提出了基于自适应未知输入观测器的多执行器故障诊断策略。该策略通过重新排列组合控制器,构成一组故障检测与分离集合,对每一个集合设计一个观测器,每个观测器产生的残差信号对与之对应的集合之内的执行器故障鲁棒抑制,而对集合之外的执行器故障敏感。根据故障检测与分离的结果启动故障估计自适应观测器,在线的识别故障大小。同时,该策略能够诊断出同时发生的多个执行器故障,并且避免了将向量二阶的卫星姿态控制系统增广成一阶系统后所带来的向量二阶系统享有的代数结构丢失、观测器估计状态不能继续维持原有的物理信息、未知扰动解耦条件不满足等一些问题。 对于非线性卫星姿态控制系统的执行器故障,提出了基于非线性自适应未知输入观测器的执行器鲁棒故障诊断策略。执行器的故障检测,通过设计一个非线性的未知输入检测观测器实现,使得部分的未知输入从检测残差信号中完全解耦出来,而剩余的未知输入、模型不确定性、输出噪声等一些因素对故障诊断系统的影响尽量的小。故障分离仍然是通过设计一组自适应非线性的未知输入观测器实现。同样的,每个分离观测器对应一个特殊的可能发生的执行器故障,但同时也对应着一个自适应的阈值。当某个分离观测器与故障信息匹配时,产生的残差信号小于事先给定的自适应阈值;对于与故障信息不匹配的分离观测器将产生大于事先给定的自适应阈值的残差信号,从而执行器故障被分离出来。故障大小通过切换球修正的方法在线自适应调节得到。 对于同时发生的多个执行器故障,提出了基于分层交互式和变化结构的多模型故障诊断策略。该策略通过设计一组平行运行的无迹卡尔曼滤波器,运用统计学的方法实现。为了避免在研究执行器卡死或者是效率下降故障诊断问题时多模型集合中的元素过多而导致故障诊断系统性能下降,将非线性的卫星姿态系统故障模型中增广一个故障参数,不仅可以同时的估计系统状态与故障参数,还降低了模型集合数目。对于同一时刻发生的多个故障,交互式的分层结构在诊断出一个故障之后随即进入下一层准备诊断第二个故障发生或者返回到上一层;而变化结构则在下一个故障发生之后在线的自适应调整多模型集合。


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