[发明专利]刚体航天器执行器多故障的诊断与容错控制方法

说明书

本发明公开了刚体航天器执行器多故障的诊断与容错控制方法，该方法提出了刚体航天器姿态控制系统的运动学和动力学模型，建立了刚体航天器同时存在执行器失效故障和偏差故障的故障模型，再分别建立了采用自适应阈值技术的故障检测观测器和基于自适应技术的故障估计观测器，从而对故障发生时间和故障具体情况实现了在线实时检测与估计，最后根据故障估计观测器估计出的故障信息，设计了backstepping滑模容错控制器。本发明实现了刚体航天器在同时发生执行器效率损伤和偏差故障下的姿态稳定控制，同时，在设计的过程中还考虑了外界扰动对系统及观测器造成的影响。除此以外，故障检测观测器与故障估计观测器可以分别独立设计，这使得其工程应用更易于实现。

技术领域

本发明具体涉及了一种基于观测器技术的刚体航天器执行器多故障的检测与容错控制方法，属于航空航天飞行控制技术领域。

背景技术

刚体航天器姿态控制系统是确保航天器能够正常运行的关键部分。由于工作环境的恶劣以及外界存在的各种因素的干扰，使得对于刚体卫星的姿态控制系统的研究显得更为有必要。正是由于恶劣的工作条件和外界的各类干扰，系统在运行的过程中会不可避免的面临着来自外界的扰动的影响和自身机构故障造成的严重后果的威胁。鉴于刚体航天器姿态控制系统本身在设计过程中存在以下几方面的难点：首先，复杂的动力学模型和运动学模型为该类航天器控制器的设计与研发带来了一定程度上的挑战；其次，由于外界未知扰动的影响、自身存在的严重的非线性耦合特性以及快速响应的要求等方面使得航天器控制问题的研究难度进一步增加；最后，由于制造水平、工作成本以及外界环境的约束，航天器执行机构很容易发生不可预测的故障，一旦故障发生，将会给整个计划造成很严重的影响，例如我国于2006发射的地球静止轨道卫星“鑫诺二号”广播卫星，由于未按照程序定点在指定位置，导致卫星无法提供正常的通信广播传输服务，造成了巨大的经济损失。因此，为了保证刚体航天器能够正常的运行，应该使刚体卫星本身的姿态控制系统对于故障具有一定的自主处理能力。再这样的基础之下，以刚体航天器姿态控制系统为基础的故障检测与容错控制研究就显得很有实际的理论意义和广泛的应用场合。

目前，针对刚体航天器执行器故障的研究已经取得了比较多的成果。但就当下比较热门的研究成果来说，仍然存在着以下的一些问题：

(1)在故障检测方面，由于刚体航天器自身的耦合性造成的各状态量之间的非线性关系，增加了故障检测观测器的设计难度，在已有的一些科研成果中考虑使用了原系统的状态量来解决观测器中的非线性项问题，但事实上，根据观测器的设计定义中观测器状态方程中的状态量应该取自于自身，而不是来自于对象系统，因而这一处理方案还是有待考虑的；

(2)同样的，还是在故障检测方面，对于故障的检测阈值在已有的文献中，主要还是通过反复仿真实验的方式，选取观测状态值和实际值的最大观测误差来获取故障检测阈值并且通常情况下这一阈值为一定值，这样就造成了很大的局限性和保守性，并且容易引起故障的漏报和误报；

(3)对于容错控制方案上，很多科研成果着重于通过鲁棒控制的方式来解决刚体航天器系统执行器故障，这类容错控制方案通常被视作作为一种被动式的处理方案。基于这样的理念所设计的控制器通常同样也有着很大的局限性和保守性。不仅如此，其所能处理的故障类型和故障值的具体变化情况也多为设计者所预见的类型，对于设计者所未能考虑到的方面，这类容错控制方案就很难起到原来期望的效果了，甚至有时连基本的稳定要求都难以达到。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于针对上面现有技术的不足，提出了一种刚体航天器执行器多故障的诊断与容错控制方法，该方法针对刚体航天器姿态控制系统执行机构同时发生效率损伤故障和偏差故障的情况下，提供一种能够针对未知故障进行在线及时检测和精确估计，并且能够使得系统能够具备自主消除故障影响的能力，从而最终实现期望的姿态控制目标的刚体航天器故障诊断与容错控制。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种刚体航天器执行器多故障的诊断与容错控制方法，该方法包括如下步骤：