航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)故障診斷與容錯控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著航天器任務(wù)的不斷拓展，航天器結(jié)構(gòu)和功能越來越復雜，敏感器和執(zhí)行器的配置數(shù)量也不斷增加。但是，由于元器件設(shè)計水平、加工工藝水平和成本限制等客觀因素的存在，也無疑增加了航天器故障發(fā)生的概率，降低了系統(tǒng)的可靠性。故障診斷與容錯控制技術(shù)為提高航天器系統(tǒng)的可靠性和安全性開辟了一條新的途徑。本文以航天器姿控系統(tǒng)為應(yīng)用對象，對航天器故障診斷與容錯控制理論進行了初步的研究，主要內(nèi)容如下：
　　研究了基于滑模觀測器的故障檢測與診斷方法。首先，介

2、紹了基于滑模觀測器的故障診斷原理，并給出了Walcott-Zak觀測器的設(shè)計方法。然后，利用Walcott-Zak觀測器模型，設(shè)計了一種針對非線性姿態(tài)動力學模型的故障觀測器，借助觀測器的殘差信號實現(xiàn)了執(zhí)行器故障檢測；為了能夠?qū)崟r辨別故障類型、估計故障的嚴重程度，在不考慮系統(tǒng)外部擾動的情況下，提出了一種基于滑模觀測器的故障重構(gòu)方法，并利用等效注入原理實現(xiàn)了故障重構(gòu)。
　　研究了基于自適應(yīng)滑模觀測器的故障重構(gòu)方法。航天器在軌運行過程中

3、，外部擾動對航天器的影響往往難以忽略。針對航天器姿態(tài)動力學模型中存在外部擾動的情形，提出了一種基于自適應(yīng)滑模觀測器的故障重構(gòu)方法。該方法通過引入自適應(yīng)估計算法，對執(zhí)行器故障進行實時檢測與估計，同時利用滑?？刂频牟贿B續(xù)項抑制系統(tǒng)中的外部擾動，消除未知輸入對故障重構(gòu)的影響，實現(xiàn)了執(zhí)行器故障的精確重構(gòu)。
　　研究了基于Terminal滑模的自適應(yīng)主動容錯控制方法。針對航天器外部擾動上界已知的情形，充分利用姿控系統(tǒng)中執(zhí)行器的硬件冗余條件，

4、提出了一種基于Terminal滑模的主動容錯控制方法。該方法不僅滿足了系統(tǒng)對容錯性能的要求，而且能夠保證系統(tǒng)狀態(tài)在有限時間內(nèi)收斂到平衡點?？紤]到傳統(tǒng)的Terminal滑模對系統(tǒng)初始狀態(tài)的偏差比較敏感，而且航天器轉(zhuǎn)動慣量具有時變特性以及系統(tǒng)擾動的上界不易獲知，提出了一種將自適應(yīng)方法和快速 Terminal滑?？刂葡嘟Y(jié)合的容錯控制方法。該方法通過引入?yún)?shù)在線自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)，不僅使系統(tǒng)具有良好的容錯能力，而且提高了系統(tǒng)對擾動的魯棒性。

5、　　研究了基于Terminal滑模的模糊被動容錯控制方法。針對執(zhí)行器故障信息未知的情形，提出了一種了基于Terminal滑模的模糊容錯控制方法。該方法利用T-S模糊模型的逼近功能估計姿態(tài)動力學模型中的不確定項，并采用自適應(yīng)方法對模糊逼近誤差和由執(zhí)行器故障引起的系統(tǒng)擾動進行在線估計，消除了控制器對故障信息的依賴。通過采用快速 Terminal滑模面，不僅加快了系統(tǒng)的收斂速度，而且提高了系統(tǒng)對初始狀態(tài)偏差的魯棒性。
　　本文提出的故障