[发明专利]基于自适应PI滑模观测器的星载ATP控制系统故障重构方法

说明书

本发明提供了一种基于自适应PI滑模观测器的星载ATP控制系统故障重构方法，针对含有故障的星载ATP控制系统，用状态空间模型法对系统建模，对传感器测量值进行滤波，设计自适应PI滑模观测器，使用自适应PI滑模观测器重构传感器故障信息。本发明采用PI函数替代现有滑模观测器中不连续项进行传感器故障重构，所设计的自适应PI滑模观测器能够在无需知道任何故障信息的情况下，完成故障的重构并有效抑制了滑模观测器的抖振。相比于现有方法，本发明所设计方法具有更强通用性，因为实际工程中故障的边界信息往往是未知的。

技术领域

本发明涉及一种星载ATP设备中控制系统故障重构方法。

背景技术

空间激光通信技术具有高带宽、低功耗和设备体积重量较小等优点，将成为未来10～20年内星间及星地间建立高速宽带链路时广泛采用的方式。星载捕获、跟踪和瞄准(ATP,Acqusition,Tracking and pointing)设备中控制系统主要用于空间激光通信链路的建立和维持。由于星载ATP设备工作的空间环境十分恶劣，星载ATP设备中控制系统的执行器和传感器极易发生故障。

为使星载ATP设备中控制系统在空间环境下保持稳定可靠工作，必须能够实时获取控制系统故障大小、类型及危害的严重程度等故障信息。目前，多采用故障重构技术获取故障信息，故障重构技术是一种根据系统数学模型及被故障影响的状态变量估计出故障信号的技术，不仅能够给出系统是否故障，通过对重构信号的分析还能够获得故障的类型、故障的大小以及可能对系统造成危害的严重程度等信息。在众多故障重构方法中，比较典型的方法是基于滑模观测器的故障重构方法，通过利用滑模观测器进入滑动模态之后对外部扰动等具有不变性的特点，采用等效故障注入的思想直接使用滑模观测器重构出故障信号。

在使用常规滑模观测器进行故障重构时，前提条件是必须知道故障信号的边界，必须将滑模观测器的不连续项切换增益设定为大于故障信号的上边界，状态误差信号才会最终进入滑模面运动，从而精确重构出故障信号。而实际系统中，故障的边界往往是不可获知的，为使状态误差信号能够最终进入滑模面运动，不连续项切换增益多通过估算设定为一个较大值，如此一来，在故障较小时重构信号会产生高频抖振，而故障边界值大于不连续项切换增益时，重构信号不能很好的还原故障信号。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种自适应PI滑模观测器进行故障重构，不需要任何故障先验信息，实现控制系统故障信息的精确重构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

第一步，针对含有故障的星载ATP控制系统，用状态空间模型法对系统建模，系统状态空间方程其中，t是系统运行时间，X(t)∈Rⁿ是系统状态矢量，为系统状态的导数；u(t)∈R^m是调节器的输入矢量；Y(t)∈R^p是传感器测量的系统输出矢量；函数f(t)表示有界但未知的传感器故障函数；A∈R^n×n、 B∈R^n×m、C∈R^p×n为已知系统矩阵，F∈R^p×q为故障矩阵，假设n＞p≥q，C是行满秩矩阵；

对传感器测量值进行滤波，设计滤波器其中，Z_f(t)为传感器测量矢量经滤波后的值，为Z_f(t)导数，A_f选择为稳定矩阵；

定义新的状态X_a(t)＝(X(t),Z_f(t))，得到以X_a(t)为状态向量的新的状态空间方程