[发明专利]一种基于观测器和在线控制分配的卫星主动容错控制方法

摘要

本发明涉及一种基于观测器和在线控制分配的卫星主动容错控制方法，针对卫星姿态控制过程中存在的执行器故障，输入饱和受限与外部扰动的问题，提出一种基于迭代学习观测器的主动容错控制方法；本发明包括以下步骤：首先，考虑执行器故障和卫星受到的外部扰动，建立卫星姿态控制系统模型；然后，设计迭代学习观测器估计执行器的失效因子；最后，基于故障估计信息构造虚拟反馈控制器，同时进行在线的控制分配，使卫星对于执行器故障进行精确估计和控制器重构；该方法保证了在轨工作卫星发生执行器故障时姿态控制系统的稳定性，拥有较高的控制精度，较强的容错能力及对外部扰动的鲁棒性等优点。

主权项

1.一种基于观测器和在线控制分配的卫星主动容错控制方法，其特征在于包括以下步骤：(1)考虑执行器失效故障这种最常见的故障类型，综合考虑执行器控制输入受限与外部扰动力矩对卫星姿态控制性能的影响，基于卫星姿态动力学及运动学方程建立卫星姿态控制系统模型；(2)基于第一步建立的卫星姿态控制系统模型，为了得到执行器的故障信息，设计迭代学习观测器，以此估计失效因子；所述步骤(2)的迭代学习观测器设计为：其中，定义为用上式迭代学习观测器得到的卫星角速度估计值，表示执行器失效因子的估计值，Γ是3×3的正定观测器增益矩阵，L₁是m×m的正定对角观测器增益矩阵，L₂是m×m的正定对角观测器增益矩阵，L₃是m×3的增益矩阵，参数T是时间更新间隔，即系统的采样间隔；同时观测器中对于的估计值要用到的前一采样时刻的估计值和角速度估计误差；上式中的符号函数sgn(·)定义如下：进一步，定义为卫星的角速度估计误差，为失效因子估计误差，同时对角速度估计误差关于时间求导，得到如下的关于角速度估计误差的动力学方程：为了保证观测误差的收敛性，观测器增益选取规则如下：其中，λ_min(·)代表矩阵的最小特征值，ε₁,ε₂,ε₃，γ和κ都是正的常数，η₁＝1+ε₁+ε₂，||·||表示矩阵的范数；τ_max表示控制器关于卫星本体轴每个轴向上的上界值；为L₃的转置矩阵；(3)在第二步的基础上，对于第一步中给出的卫星姿态控制系统模型，引入第二步所述的失效因子估计信息，并设计虚拟反馈控制器和控制分配算法，所述步骤(3)中虚拟反馈控制器为：其中，v(t)为t时刻加载到卫星本体系三个轴向上的控制量；k₁,k₂∈R是控制器增益，且都是正的常数；ρ^T表示修正的罗德里格参数ρ的转置；这里定义的形式如下：其中，tanh(ω₁),tanh(ω₂),tanh(ω₃)分别为关于角速度分量ω₁,ω₂,ω₃的双曲正切函数，由双曲正切函数的特性和控制器中第二项存在的约束关系，控制器明显满足限制条件：|v_i|≤k₁+k₂＝τ_max，其中τ_max是控制器关于卫星本体轴每个轴向上的上界值；所述步骤(3)中，基于迭代学习观测器得到失效因子估计值，将其引入在线控制分配策略，以最优的分配方法将虚拟反馈控制器分配到各个反作用飞轮的指令控制力矩；具体策略是设计一个关于控制力矩及其权值矩阵的函数，并选择一个最优的控制力矩分配方式保证这个函数达到最小，在执行机构发生故障的情况下，相应的权重系数会随着故障的程度进行调整：当第i个执行器正常工作时，e_i(t)＝1，不改变此执行器对应的权重系数；当第i个执行器发生故障时，0≤e_i(t)＜1，其对应的权重系数会增大，从而在控制分配中会将较小的控制力矩分配给该执行器；通过解算可得实际控制器为：τ(t)＝E2DT(DE3DT)‑1v(t)式中D^T为控制器分配矩阵D的转置，(DE³D^T)^‑1为矩阵DE³D^T的逆矩阵，进一步，将设计好的虚拟控制律代入上式，即为：考虑到当执行器发生完全失效时会出现奇异现象，对于失效因子进行一定的近似化处理，定义失效矩阵E＝diag(e1,...en)中元素ei(i∈(1,n))满足：选择与执行器性能相适应的正常数ε即可解决完全失效问题，保证卫星姿态控制系统能在执行器出现失效故障的情况下仍然正常稳定的工作。