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基于滑模的航天器执行机构故障诊断与容错控制研究

闫鑫  
【摘要】:作为航天器自主运行必须具备的能力,在轨运行的执行机构故障诊断与容错控制是发展空间智能自主控制的关键支撑技术之一,为提高航天器的可靠性、可维护性和有效性开辟了一条新途径,成为当今航天领域的一个研究重点。但目前主要思路是借助于地面站通过对遥测参数进行监控和分析,对航天器执行机构的健康状况进行评估和诊断及系统重构,缺乏自主性和容错性。论文针对基于观测器的航天器故障诊断与容错控制及其相关技术进行研究,设计有效的滑模观测器和故障够算法,实现航天器执行机构故障调节及故障信息未知时的容错控制。论文的主要工作包括: 采用故障因子,建立了执行机构失效故障和偏差故障的航天器模型;设计了针对满足Lipschitz条件的非线性系统滑模观测器和故障重构策略,对高频抖振对系统地影响及滑模观测器成立条件进行分析;设计了基于常规滑模控制的航天器姿态控制策略,并验证了系统的全局收敛性。 基于建立的偏航轴信息不完全可观测时的航天器状态方程,针对同时存在未知输入和执行机构故障的故障诊断与重构问题,设计了一类自适应鲁棒滑模观测器,通过两次坐标变换,实现故障与未知输入的分离,提高故障估计的灵敏度和鲁棒性,所设计的具有自适应特征的切换项保证了状态观测误差和输出误差有界并收敛。考虑常规滑模切换项的不连续性带来的高频抖振问题,采用高阶滑模观测器方法,设计连续的控制输入信号代替非连续控制输入,从本质上避免了非连续函数带来的高频抖振问题。当含有系统输出噪声时,基于鲁棒和最优控制思想,结合Schur引理和LMI设计方法,提出了一类鲁棒最优滑模观测器设计,获得了l2意义下针对扰动的鲁棒性,得到的H∞增益也满足设计要求,有效抑制了输出噪声和未知扰动的影响,并基于所设计的观测器,利用等效输出注入方法,实现了对执行机构故障的精确重构。 考虑故障信息已知时的主动容错问题,基于故障调节和状态反馈控制原理,设计了航天器主动容错控制策略。采用伪逆原理,设计了一类非线性故障调节策略,提出的故障调节律包括标称控制律和附加控制律两部分:无故障时,采用标称控制律;故障时,采用附加控制律,保证故障时的系统动态性能;针对执行机构失效故障的故障调节问题,通过求解Riccati方程,设计了一类故障调节设计方法,能使故障系统运动轨迹精确趋近于标称系统的运动轨迹,保证故障时的一致稳定性,并采用Lyapunov稳定性定理和Barlalat’s引理验证了系统的稳定性。 针对航天器执行机构发生失效故障且故障信息未知的容错控制问题,提出了基于自适应滑模控制器的容错控制策略,并进行相应的改进。针对滑模控制引入边界层所带来的稳态误差问题,在滑模面设计过程中引入比例-积分环节,采用自适应控制,对不确定参数进行在线更新,有效抑制姿态控制中的稳态误差,增强系统鲁棒性;针对系统有限时间快速稳定问题,论文基于终端滑模概念,提出了一类自适应快速终端滑模容错控制设计方法,在没有故障检测与诊断信息的情况下,利用自适应算法在线估计得到的故障信息,设计具有鲁棒性的容错控制器,使系统能在有限时间内以指数收敛,实现系统有限时间快速稳定;同时,考虑实际系统执行机构输出能力的限制,显示的引入执行机构饱和幅值,设计的自适应滑模容错控制器输出幅值能自动约束到设定的执行机构饱和幅值以内,且所设计的控制器和自适应更新律独立于转动惯量和外界扰动,具有较强的鲁棒性,有效的解决了输入受限时的航天器容错控制和扰动抑制问题。针对提出的控制器,都基于Lyapunov稳定性定理进行了验证。仿真结果表明,设计的控制器能有效解决对应的实际问题,验证了所设计控制策略的有效性及合理性。


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