[发明专利]基于自适应观测器的卫星故障诊断与容错控制方法

说明书

本发明涉及卫星故障诊断与容错控制技术领域，为提出一种故障诊断方法，使其对外界干扰具有很好的鲁棒性，在故障诊断过程不受外界干扰影响，防止产生误报及漏报情况，且可以有效估计故障大小；本发明，基于自适应观测器的卫星故障诊断与容错控制方法，首先建立执行器故障及外界干扰影响下的卫星运动学及动力学模型，分析故障有效因子对系统的影响；其次，针对卫星故障系统设计观测器，基于观测器输出与系统实际输出建立残差评价函数，并获得评价阈值，达到故障检测的目的；然后，当检测出故障发生后，设计自适应观测器，完成故障诊断任务；最后，基于故障的估计值，设计有限时间自适应容错控制器。本发明主要应用于故障诊断与容错控制场合。

技术领域

本发明涉及卫星故障诊断与容错控制技术领域，特别是一种面向卫星姿态控制系统执行器故障的诊断与容错控制领域。具体讲,涉及基于自适应观测器的卫星故障诊断与容错控制方法。

背景技术

航天器是指按照天体运行规律在大气层外运行的空间飞行器。航天器技术经过几十年的探索和发展，在国家安全、经济发展、技术进步、环境监测、气象预报、减灾救灾等方面发挥了重要作用。航天事业的发展不仅是航天科技实力进步的表现，更是一个国家综合国力不断壮大的体现。然而，由于卫星在太空运行过程中具有远程不可及等应用特殊性，作为保障卫星正常运转的核心子系统，卫星姿态控制系统的故障诊断问题一直是航天领域研究的重点和难点。卫星星上资源和人工干预能力有限，太空监测环境恶劣和不确定性因素多等特点决定了卫星故障诊断不仅要具备一般故障诊断的可靠性及准确性要求，还必须具有快速自诊断及自主容错恢复能力。卫星等航天器一旦发生故障，很可能会在很短时间导致翻滚，不能正常工作甚至导致卫星坠毁，造成巨大经济损失，对空间计划、科学研究、经济乃至政治、军事等都将造成恶劣影响和严重后果。因此，系统研究航天器故障诊断与容错控制理论和方法，对保障航天器的安全可靠运行、延长航天器使用寿命、预防重大事故发生具有十分重要的意义。

然而，由于卫星所处空间环境中的各种未知干扰因素较多，而且随着任务和星体结构的复杂性日益增加，模型不确定性等对卫星容错控制效果的影响也越来越明显，在干扰及不确定影响下的卫星故障诊断与容错控制一直是航天领域研究的重点和难点。目前，基于观测器的故障诊断与容错控制方法应用最为广泛，通过观测被诊断对象的状态，并与可测状态比较，构成残差序列，再运用统计学或几何学方法，对残差序列进行评价与决策，以达到故障检测的目的。然而，基于现有理论方法进行卫星故障诊断与容错控制设计时，存在的不足主要体现在以下几个方面：(1)大部分研究者主要针对卫星线性化模型进行故障诊断的研究，即在小姿态角条件下将卫星姿态运动学方程线性化，然后针对线性化后的卫星故障模型进行故障诊断与容错控制器设计，但由于实际系统中存在不同程度的非线性，容易导致线性残差产生器诊断性能下降，甚至出现误报和漏报的情况；(2)现有故障诊断方法较少考虑空间干扰力矩的影响，或者直接将干扰力矩与故障混合在一起进行估计，不能实现故障与干扰的有效解耦，这些均将极大限制卫星姿控系统的故障诊断精度，难以保证故障诊断方法的鲁棒性；(3)之前大部分工作中均假设系统状态是已知的，且故障形式为加性故障，而在带有乘性故障的卫星非线性模型中，由于故障影响与系统的状态或输入混合在一起，会使得故障诊断更加复杂。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种故障诊断方法，使其对外界干扰具有很好的鲁棒性，在故障诊断过程不受外界干扰影响，防止产生误报及漏报情况，且可以有效估计故障大小；其有效性及可靠性高，可以保证系统状态在有限时间内实现稳定，有利于提高航天器运行过程中的自我修复能力，有效提高卫星的可靠性和安全性。为此，本发明采用的技术方案是，基于自适应观测器的卫星故障诊断与容错控制方法，首先建立执行器故障及外界干扰影响下的卫星运动学及动力学模型，分析故障有效因子对系统的影响；其次，针对卫星故障系统设计观测器，基于观测器输出与系统实际输出建立残差评价函数，并获得评价阈值，达到故障检测的目的；然后，当检测出故障发生后，设计自适应观测器，对故障的大小及变化形式进行估计，从而完成故障诊断任务；最后，基于故障的估计值，设计有限时间自适应容错控制器，保证系统状态可以有限时间收敛，且无需干扰的上界信息。