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恶劣的太空环境以及硬件老化等因素致使在轨航天器执行机构等部件在所难免的发生故障,进而影响整个姿态控制系统的稳定性能甚至导致任务失败。特别地,据统计约有44%姿态控制系统故障是由执行机构故障造成的。为此,研究执行机构故障的航天器姿态控制系统自主容错控制技术,对提高航天器在复杂多变的空间环境下的稳定运行能力和任务完成率有着重大理论与现实意义。另一方面,为提高航天器平台的自主运行能力以及其可靠性,通常采用执行机构冗余配置的策略,这就引入如何将期望控制指令合理分配到各个执行机构上的问题。此时,考虑实际工程中各种系统约束的情况下,研究满足多重最优化性能指标的姿态系统控制分配策略,也具有重要的工程意义。因此,本文以执行机构故障的姿态容错与控制分配方案设计为核心目标,致力于解决存在执行机构故障和系统不确定性情况下的实时故障诊断、有限时间容错控制、最优控制分配及其闭环系统稳定性分析等重难点问题与挑战。基于此,本文研究成果可以总结为如下四个方面:首先,研究了基于观测器技术的过驱动航天器执行机构故障诊断方法。考虑存在执行机构故障和不确定性、转动惯量不确定性、以及外部干扰的姿态稳定控制系统,利用迭代学习观测器设计一种改进的执行机构故障诊断方案,实现对执行机构失效率实时精确的估计;且该方案仅利用了该估计值的上一步信息,并不需要航天器姿态的精确信息。为了进一步处理或者补偿执行机构失效故障、模型不确定性和干扰力矩在内的姿态控制系统的综合不确定性或者故障,创新性的将快速非奇异终端滑模技术引入扩张状态观测器方法中,提出了一类有限时间故障诊断方案,并严格证明了故障诊断系统在有限时间内收敛到包含原点的稳定域。这两种故障诊断方法分别能够保证对系统控制效率和综合故障的快速精确估计。基于上述两种执行机构故障诊断的研究基础上,分别提出两种航天器姿态容错控制策略,实现了在执行机构故障和不确定性、转动惯量不确定性、外部干扰等情况下的有限时间姿态稳定控制。首先,利用迭代学习观测器对执行机构故障的在线诊断信息,基于终端滑模设计一类在线自主容错控制方案,并利用参数自适应技术来抑制系统抖振。该方法不仅消除了姿态控制的奇异现象,并能驱使航天器姿态在有限时间稳定到一个包含平衡点的小邻域。继而,为了进一步提升系统的控制性能和抑制不确定性对姿态控制系统的影响,利用有限时间观测器的实时故障补偿信息,提出一类基于快速非奇异终端滑模和自适应技术的鲁棒姿态容错控制器,并采用Lyapunov方法严格证明了姿态控制系统在有限时间到达稳定域。这两种姿态控制系统方案,都能够保证执行机构故障时姿态稳定的快速性,并提升了系统的稳定精度和稳定度。然后,研究了在轨航天器基于能量最优等性能指标的最优控制分配问题。同时考虑姿态控制系统能量消耗最优和控制分配误差最优这两种姿态控制系统性能指标,利用零空间技术设计了一类改进的最优化控制分配方案,实现对传统伪逆控制分配向量的修正。继而,考虑执行机构同时存在安装矩阵和输出力矩幅值偏差或者故障的姿态稳定问题,结合最小二乘方法提出一种改进的鲁棒最优控制分配方案。其主要分配策略是寻求一个最优的控制向量,使得存在执行机构不确性或故障情况下控制分配残余量最小;并基于对偶规划理论,得到最优控制向量。从而在保证控制分配性能需求,并提升了控制分配系统的容错能力和鲁棒性。最后,研究了闭环控制分配系统设计及其稳定性分析。为了提高姿态控制系统的综合性能,独创性的提出了一种基于约束二次规划的动态控制分配方案并研究了整个闭环系统稳定性,并考虑到反作用飞轮的位置约束和速度约束。该方案不仅能有效地减少分配误差并能达到能量最优,并能抑制系统的抖振和干扰力矩,达到系统运行轨迹光滑。基于此,考虑执行机构发生失效故障的姿态控制系统,利用上述执行机构故障诊断的信息设计一种新颖的在线实时的闭环控制分配策略,并基于离散系统理论进一步分析了控制分配策略引入闭环系统之后整个控制系统的稳定性。通过故障诊断信息实时更新已设计的容错控制和控制分配方案,对实际的控制输出信号进行在线重构。而且,这种独特的控制系统设计策略不仅过程简单,且可以有效的抑制执行机构失效故障对控制系统的影响,从而提高了系统的可靠性和安全性。将本文设计的故障诊断策略、姿态容错控制方案和最优控制分配组成的闭环航天器姿态控制系统进行数值仿真,验证了所提出的闭环姿态容错与控制分配方案有效性与优越性,且能够实现低功耗、高任务完成率以及高精度高稳定度的航天器姿态稳定控制。