集成故障診斷與容錯(cuò)控制研究及在衛(wèi)星姿態(tài)控制中的應(yīng)用.pdf

1、控制系統(tǒng)的集成故障診斷與容錯(cuò)控制作為故障診斷與容錯(cuò)控制的交叉領(lǐng)域，可以避免單獨(dú)設(shè)計(jì)故障診斷或容錯(cuò)控制引起的時(shí)間延遲以及對(duì)故障診斷結(jié)果的完全依賴，能夠?yàn)楝F(xiàn)代控制系統(tǒng)長壽命高可靠性運(yùn)行提供有利保障。本文以衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)為應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)三類集成故障診斷與容錯(cuò)控制算法，主要內(nèi)容如下：
　　對(duì)控制系統(tǒng)中的各種故障進(jìn)行分類與建模，并根據(jù)內(nèi)部資料中對(duì)一些衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)測試與在軌運(yùn)行中的故障的記載，對(duì)故障進(jìn)行詳細(xì)分析，設(shè)置本文研究的飛輪與陀螺

2、故障類型與大小，構(gòu)建全文統(tǒng)一的衛(wèi)星姿態(tài)閉環(huán)系統(tǒng)仿真環(huán)境。閉環(huán)控制仿真結(jié)果也為驗(yàn)證后續(xù)進(jìn)行的其它容錯(cuò)控制結(jié)果的有效性提供基準(zhǔn)。
　　研究基于有效性因子/LQR的集成故障診斷與容錯(cuò)控制方法。分別針對(duì)敏感器故障、執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障、敏感器/執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障三種情況，利用偏差分離原理，相應(yīng)地引入測量有效性因子、控制有效性因子、測量/控制有效性因子表示系統(tǒng)的故障程度。通過二階Kalman濾波估計(jì)對(duì)有效性因子值以及狀態(tài)變量進(jìn)行估計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)線性二次調(diào)節(jié)

3、器(LQR)作為重構(gòu)控制器。將狀態(tài)估計(jì)結(jié)果作為原控制器和重構(gòu)控制器的輸入，通過統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)進(jìn)行判斷，當(dāng)確認(rèn)故障發(fā)生時(shí)，引入重構(gòu)容錯(cuò)控制器，與原控制器聯(lián)合對(duì)故障狀況下的控制系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償控制。當(dāng)統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)的結(jié)果說明系統(tǒng)無故障時(shí)，則不引入重構(gòu)控制器?；谟行砸蜃拥墓收显\斷與基于LQR的重構(gòu)控制器聯(lián)合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了集成故障診斷與容錯(cuò)控制。
　　研究基于IMM/EA的集成故障診斷與容錯(cuò)控制方法。利用隨機(jī)混合系統(tǒng)描述故障系統(tǒng)，考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)和敏

4、感器故障，根據(jù)系統(tǒng)所有可能會(huì)出現(xiàn)的故障的先驗(yàn)知識(shí)，確定N個(gè)系統(tǒng)模型逼近混合系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)中部分或者全部狀態(tài)發(fā)生突變時(shí)，采用交互式多模型(IMM)估計(jì)器得到故障發(fā)生的位置以及大小。通過重構(gòu)機(jī)制判斷，當(dāng)確認(rèn)故障發(fā)生時(shí)，進(jìn)行容錯(cuò)控制器重構(gòu)設(shè)計(jì)，與原控制器聯(lián)合對(duì)故障狀況下的控制系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償控制。利用故障模型中的動(dòng)力學(xué)部分，采用輸出反饋或(以及)狀態(tài)反饋進(jìn)行特征結(jié)構(gòu)配置(EA)設(shè)計(jì)重構(gòu)控制器?；贗MM的故障診斷與基于EA的重構(gòu)控制器聯(lián)合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)集

5、成故障診斷與容錯(cuò)控制。
　　針對(duì)集成故障診斷與容錯(cuò)控制中的魯棒容錯(cuò)控制問題，設(shè)計(jì)基于混合H2/H∞控制的魯棒容錯(cuò)控制方法。考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)和敏感器故障，利用故障診斷的結(jié)果，并考慮故障診斷結(jié)果和系統(tǒng)參數(shù)的不確定性，分別采用H2和H∞范數(shù)作為系統(tǒng)故障診斷和容錯(cuò)控制的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)輸出反饋混合H2/H∞控制器，運(yùn)用線性矩陣不等式(LMI)方法，通過給定的性能指標(biāo)γ∞，調(diào)節(jié)故障診斷性能指標(biāo)2γ，求解集成故障診斷與容錯(cuò)控制問題，并使得包含該集成

6、故障診斷與容錯(cuò)控制器的閉環(huán)系統(tǒng)魯棒性能最優(yōu)。
　　針對(duì)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)基于魯棒模型預(yù)測控制(RMPC)和基于魯棒自適應(yīng)的魯棒容錯(cuò)控制方法。RMPC控制將魯棒概念和預(yù)測控制的滾動(dòng)優(yōu)化原理進(jìn)行融合，通過在線更新系統(tǒng)模型和滾動(dòng)優(yōu)化，對(duì)具有輸入和輸出約束的線性不確定系統(tǒng)，同時(shí)考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器的故障以及FDD的不確定性，將不確定控制系統(tǒng)完整性設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為對(duì)新系統(tǒng)模型的魯棒控制器設(shè)計(jì)問題?；隰敯糇赃m應(yīng)的容錯(cuò)控制引入在線估計(jì)，可

7、以解決參數(shù)擾動(dòng)引起的系統(tǒng)故障問題，利用自適應(yīng)控制Lyapunov函數(shù)(ACLF)設(shè)計(jì)反饋，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)穩(wěn)定，并采用逆最優(yōu)控制方法求解。為降低魯棒容錯(cuò)控制器的計(jì)算負(fù)擔(dān)，首先通過姿態(tài)確定子系統(tǒng)對(duì)測量敏感器中的各種誤差和故障，包括測量誤差、噪聲、漂移等，進(jìn)行修正，得到修正后的姿態(tài)測量信息。然后，再由FDD子系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，此時(shí)的FDD子系統(tǒng)主要是針對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行的故障診斷。最后，自適應(yīng)逆最優(yōu)控制器根據(jù)FDD得到的執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障模型設(shè)計(jì)容錯(cuò)