基于滑模的航天器執(zhí)行機構故障診斷與容錯控制研究.pdf

1、作為航天器自主運行必須具備的能力，在軌運行的執(zhí)行機構故障診斷與容錯控制是發(fā)展空間智能自主控制的關鍵支撐技術之一，為提高航天器的可靠性、可維護性和有效性開辟了一條新途徑，成為當今航天領域的一個研究重點。但目前主要思路是借助于地面站通過對遙測參數(shù)進行監(jiān)控和分析，對航天器執(zhí)行機構的健康狀況進行評估和診斷及系統(tǒng)重構，缺乏自主性和容錯性。論文針對基于觀測器的航天器故障診斷與容錯控制及其相關技術進行研究，設計有效的滑模觀測器和故障夠算法，實現(xiàn)航天器

2、執(zhí)行機構故障調節(jié)及故障信息未知時的容錯控制。論文的主要工作包括：
　　 采用故障因子，建立了執(zhí)行機構失效故障和偏差故障的航天器模型；設計了針對滿足Lipschitz條件的非線性系統(tǒng)滑模觀測器和故障重構策略，對高頻抖振對系統(tǒng)地影響及滑模觀測器成立條件進行分析；設計了基于常規(guī)滑?？刂频暮教炱髯藨B(tài)控制策略，并驗證了系統(tǒng)的全局收斂性。
　　 基于建立的偏航軸信息不完全可觀測時的航天器狀態(tài)方程，針對同時存在未知輸入和執(zhí)行機構故障的

3、故障診斷與重構問題，設計了一類自適應魯棒滑模觀測器，通過兩次坐標變換，實現(xiàn)故障與未知輸入的分離，提高故障估計的靈敏度和魯棒性，所設計的具有自適應特征的切換項保證了狀態(tài)觀測誤差和輸出誤差有界并收斂。考慮常規(guī)滑模切換項的不連續(xù)性帶來的高頻抖振問題，采用高階滑模觀測器方法，設計連續(xù)的控制輸入信號代替非連續(xù)控制輸入，從本質上避免了非連續(xù)函數(shù)帶來的高頻抖振問題。當含有系統(tǒng)輸出噪聲時，基于魯棒和最優(yōu)控制思想，結合Schur引理和LMI設計方法，提出

4、了一類魯棒最優(yōu)滑模觀測器設計，獲得了()2意義下針對擾動的魯棒性，得到的H∞增益也滿足設計要求，有效抑制了輸出噪聲和未知擾動的影響，并基于所設計的觀測器，利用等效輸出注入方法，實現(xiàn)了對執(zhí)行機構故障的精確重構。
　　 考慮故障信息已知時的主動容錯問題，基于故障調節(jié)和狀態(tài)反饋控制原理，設計了航天器主動容錯控制策略。采用偽逆原理，設計了一類非線性故障調節(jié)策略，提出的故障調節(jié)律包括標稱控制律和附加控制律兩部分：無故障時，采用標稱控制律；

5、故障時，采用附加控制律，保證故障時的系統(tǒng)動態(tài)性能；針對執(zhí)行機構失效故障的故障調節(jié)問題，通過求解Riccati方程，設計了一類故障調節(jié)設計方法，能使故障系統(tǒng)運動軌跡精確趨近于標稱系統(tǒng)的運動軌跡，保證故障時的一致穩(wěn)定性，并采用Lyapunov穩(wěn)定性定理和Barlalat's引理驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　 針對航天器執(zhí)行機構發(fā)生失效故障且故障信息未知的容錯控制問題，提出了基于自適應滑?？刂破鞯娜蒎e控制策略，并進行相應的改進。針對滑?？?/p>

6、制引入邊界層所帶來的穩(wěn)態(tài)誤差問題，在滑模面設計過程中引入比例-積分環(huán)節(jié)，采用自適應控制，對不確定參數(shù)進行在線更新，有效抑制姿態(tài)控制中的穩(wěn)態(tài)誤差，增強系統(tǒng)魯棒性；針對系統(tǒng)有限時間快速穩(wěn)定問題，論文基于終端滑模概念，提出了一類自適應快速終端滑模容錯控制設計方法，在沒有故障檢測與診斷信息的情況下，利用自適應算法在線估計得到的故障信息，設計具有魯棒性的容錯控制器，使系統(tǒng)能在有限時間內以指數(shù)收斂，實現(xiàn)系統(tǒng)有限時間快速穩(wěn)定；同時，考慮實際系統(tǒng)執(zhí)行機