论文摘要
随着航天器任务的不断拓展,航天器结构和功能越来越复杂,敏感器和执行器的配置数量也不断增加。但是,由于元器件设计水平、加工工艺水平和成本限制等客观因素的存在,也无疑增加了航天器故障发生的概率,降低了系统的可靠性。故障诊断与容错控制技术为提高航天器系统的可靠性和安全性开辟了一条新的途径。本文以航天器姿控系统为应用对象,对航天器故障诊断与容错控制理论进行了初步的研究,主要内容如下:研究了基于滑模观测器的故障检测与诊断方法。首先,介绍了基于滑模观测器的故障诊断原理,并给出了Walcott-Zak观测器的设计方法。然后,利用Walcott-Zak观测器模型,设计了一种针对非线性姿态动力学模型的故障观测器,借助观测器的残差信号实现了执行器故障检测;为了能够实时辨别故障类型、估计故障的严重程度,在不考虑系统外部扰动的情况下,提出了一种基于滑模观测器的故障重构方法,并利用等效注入原理实现了故障重构。研究了基于自适应滑模观测器的故障重构方法。航天器在轨运行过程中,外部扰动对航天器的影响往往难以忽略。针对航天器姿态动力学模型中存在外部扰动的情形,提出了一种基于自适应滑模观测器的故障重构方法。该方法通过引入自适应估计算法,对执行器故障进行实时检测与估计,同时利用滑模控制的不连续项抑制系统中的外部扰动,消除未知输入对故障重构的影响,实现了执行器故障的精确重构。研究了基于Terminal滑模的自适应主动容错控制方法。针对航天器外部扰动上界已知的情形,充分利用姿控系统中执行器的硬件冗余条件,提出了一种基于Terminal滑模的主动容错控制方法。该方法不仅满足了系统对容错性能的要求,而且能够保证系统状态在有限时间内收敛到平衡点。考虑到传统的Terminal滑模对系统初始状态的偏差比较敏感,而且航天器转动惯量具有时变特性以及系统扰动的上界不易获知,提出了一种将自适应方法和快速Terminal滑模控制相结合的容错控制方法。该方法通过引入参数在线自适应调整技术,不仅使系统具有良好的容错能力,而且提高了系统对扰动的鲁棒性。研究了基于Terminal滑模的模糊被动容错控制方法。针对执行器故障信息未知的情形,提出了一种了基于Terminal滑模的模糊容错控制方法。该方法利用T-S模糊模型的逼近功能估计姿态动力学模型中的不确定项,并采用自适应方法对模糊逼近误差和由执行器故障引起的系统扰动进行在线估计,消除了控制器对故障信息的依赖。通过采用快速Terminal滑模面,不仅加快了系统的收敛速度,而且提高了系统对初始状态偏差的鲁棒性。本文提出的故障诊断与容错控制方法,对不同的执行器故障均表现出良好的鲁棒性,能够满足航天器完成快速、高精度姿态控制任务的要求,有助于提高航天器系统的可靠性。本文的研究工作可以为航天器姿控系统故障诊断与容错控制技术的发展提供一定的方案参考和技术支持。
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