基于學習觀測器的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)故障重構(gòu)研究.pdf

1、姿態(tài)控制系統(tǒng)作為衛(wèi)星至關(guān)重要的分系統(tǒng)，受衛(wèi)星長期運行于惡劣空間環(huán)境的影響，其不可避免的易于發(fā)生故障，特別是執(zhí)行機構(gòu)和姿態(tài)敏感器等部件。對于在軌衛(wèi)星來說，姿控系統(tǒng)故障輕則導致控制精度降低、閉環(huán)姿控系統(tǒng)不穩(wěn)定，重則衛(wèi)星壽命縮短、衛(wèi)星完全失效。為了保證衛(wèi)星的可靠性和可維護性，衛(wèi)星姿控系統(tǒng)一般提供了硬件冗余以及簡單故障檢測與診斷(FDI)功能。然而，為了實現(xiàn)衛(wèi)星自主故障診斷以及快速精確的故障容錯，獲得衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障大小及其變化趨勢是十分必要的

2、。目前，針對衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障重構(gòu)問題的研究還相對較少。自2001年基于學習觀測器(LO)的故障重構(gòu)方法被提出以來，雖然該課題方向具有一定的研究成果，但其仍存在諸多亟待解決的問題，如魯棒性問題、敏感器故障重構(gòu)問題以及系統(tǒng)化LO設計問題等?；诖耍菊撐膶贚O的故障重構(gòu)理論及其在微小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中的應用進行了深入研究。本論文的主要工作與研究成果如下：
　　研究了基于P型LO的微小衛(wèi)星反作用飛輪失效故障重構(gòu)問題。針對現(xiàn)有基于P型

3、LO的執(zhí)行機構(gòu)失效故障重構(gòu)設計未提供系統(tǒng)化觀測器矩陣求解方法且需滿足控制輸入有界條件，提出了一種改進P型LO設計。所提設計不僅基于線性矩陣不等式(LMI)技術(shù)提供了一種系統(tǒng)化P型LO設計方法，而且無需控制輸入有界條件。進一步，利用H∞技術(shù)設計了魯棒P型LO抑制干擾輸入對執(zhí)行機構(gòu)失效故障重構(gòu)的影響。針對出現(xiàn)飛輪失效故障的微小衛(wèi)星姿控系統(tǒng)進行仿真，仿真結(jié)果驗證了所提故障重構(gòu)方法的有效性。
　　針對微小衛(wèi)星慣性陀螺故障重構(gòu)問題，提出了兩

4、種增廣LO設計：增廣P型LO和增廣PD型LO。設計一種適當輸出濾波器，將敏感器故障系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袌?zhí)行機構(gòu)故障形式的增廣系統(tǒng)模型。針對該增廣模型，設計了增廣P型LO重構(gòu)敏感器故障。針對現(xiàn)有P型LO的故障約束條件并不具有明確物理意義以至于無法確定其所適用的敏感器故障時變特性，以及為了敏感器故障快速重構(gòu)的需要，提出一種增廣PD型LO設計?；贚MI技術(shù)提供了一種系統(tǒng)化PD型LO設計方法。考慮干擾輸入對敏感器故障重構(gòu)的影響，基于H∞技術(shù)，給出一

5、種魯棒增廣PD型LO設計。分別將兩種增廣LO設計應用于微小衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的慣性陀螺故障重構(gòu)，仿真驗證了其有效性并對比了其優(yōu)劣。
　　研究了基于連續(xù)學習未知輸入觀測器(LUIO)的微小衛(wèi)星推力器魯棒故障重構(gòu)問題。首先，提出了一種基于UIO的執(zhí)行機構(gòu)魯棒FDI方法，并給出了魯棒UIO設計和魯棒FDI條件?；诂F(xiàn)有P型LO設計，研究了基于P型LO的執(zhí)行機構(gòu)加性故障重構(gòu)問題?；谒酻IO和P型LO，提出了一種連續(xù)LUIO實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)魯棒故

6、障重構(gòu)?？紤]執(zhí)行機構(gòu)故障和干擾輸入解耦，給出了所提LUIO的穩(wěn)定性條件和存在條件。針對執(zhí)行機構(gòu)故障和干擾輸入耦合以及系統(tǒng)出現(xiàn)測量噪聲的情況，設計LUIO解耦部分干擾輸入，并抑制未解耦干擾輸入和測量噪聲對執(zhí)行機構(gòu)故障重構(gòu)的影響。分別將所提兩種LO設計應用于微小衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的推力器故障重構(gòu)，仿真驗證了其有效性并給出了兩種方法的仿真對比。
　　提出了一種基于離散LUIO的微小衛(wèi)星推力器魯棒故障重構(gòu)方法。針對連續(xù)系統(tǒng)的歐拉近似離散模型，提

7、出了一種歐拉近似UIO設計并給出其魯棒穩(wěn)定性分析。基于所提離散UIO和連續(xù)LUIO，提出了一種歐拉近似LUIO實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)魯棒故障重構(gòu)?？紤]執(zhí)行機構(gòu)故障和干擾輸入耦合以及系統(tǒng)出現(xiàn)測量噪聲的情況，基于UIO的干擾解耦思想，設計LUIO矩陣解耦部分干擾輸入，后利用H∞技術(shù)設計剩余觀測器矩陣使得離散LUIO對未解耦干擾輸入和測量噪聲具有魯棒性。為了保證歐拉近似LUIO運行于精確系統(tǒng)模型，研究了其滿足半全局實際收斂性質(zhì)的條件。將基于離散LUIO