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故障重构技术在卫星姿控系统故障诊断中的应用研究

栾家辉  
【摘要】: 作为航天专家进行决策和制定计划的必要参考,故障诊断技术对于确保卫星的安全性和可靠性至关重要。随着卫星的使用数量不断增加,无预案故障出现的可能性也随之增大,对其进行检测与分离的技术研究也因此受到广泛的重视。本文以国防十五预研项目“卫星长寿命高可靠性技术”为研究背景,为提高目前卫星对无故障模式故障的诊断能力,提出了一套适合卫星姿态控制系统的故障重构框架体系,并研究了四项关键技术作为该框架的支撑。 本文的中心思想是对受故障影响的系统进行故障检测和估计。该方法与传统基于观测器的故障诊断方法的区别在于,该观测器的主要任务不是用来对系统产生残差,而是直接建立故障估计器,对所监测的系统直接估计其故障的有无和大小,实现一种较为直接的故障诊断。针对故障性质及其所影响机构的不同,研究了相应的四种诊断技术。 对于快变故障作用于执行器的情况,本文以姿态喷气控制系统为背景,系统的论述了具有外加干扰系统的残差生成方法,并指出基于未知输入观测器的诊断方法在诊断故障时具有局限性。在其基础上提出了一种基于未知输入解耦的快变故障重构方法。这种方法可以有效的解决未知输入作用于系统时的故障诊断问题,尤其是对于执行器受快变故障影响的情况具有很好的效果。 对于快变故障作用于传感器的情况,本文依然以喷气控制系统测量机构发生故障为例,给出了陀螺失效模式,并且详细地分析了陀螺的几种故障判别条件,研究了基于右特征结构配置的故障重构方法。该方法是基于左特征结构配置方法的一种有益补充。由于传统的基于特征结构配置的故障诊断方法通常是利用左特征结构配置,所以本方法在故障重构技术方面的应用研究,是对卫星故障诊断方法的一个技术扩充。 对于慢变故障作用于执行器的情况,本文以动量轮控系统为研究对象,分析了偏置动量轮的故障模式,深入的研究了滑模观测器性质,提出了一种基于滑模观测器的故障重构方法,对系统所受的执行器慢变故障进行估计。由滑模变结构控制理论可知,由于滑模观测器抗外界干扰能力强于一般的观测器,因此利用该观测器建立的故障估计器很好的解决了慢变故障更易受到外界的干扰的问题。 对于慢变故障作用于传感器的情况,根据上面对滑模观测器性质的分析,


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