故障重构技术在卫星姿控系统故障诊断中的应用研究

论文摘要

作为航天专家进行决策和制定计划的必要参考,故障诊断技术对于确保卫星的安全性和可靠性至关重要。随着卫星的使用数量不断增加,无预案故障出现的可能性也随之增大,对其进行检测与分离的技术研究也因此受到广泛的重视。本文以国防十五预研项目“卫星长寿命高可靠性技术”为研究背景,为提高目前卫星对无故障模式故障的诊断能力,提出了一套适合卫星姿态控制系统的故障重构框架体系,并研究了四项关键技术作为该框架的支撑。本文的中心思想是对受故障影响的系统进行故障检测和估计。该方法与传统基于观测器的故障诊断方法的区别在于,该观测器的主要任务不是用来对系统产生残差,而是直接建立故障估计器,对所监测的系统直接估计其故障的有无和大小,实现一种较为直接的故障诊断。针对故障性质及其所影响机构的不同,研究了相应的四种诊断技术。对于快变故障作用于执行器的情况,本文以姿态喷气控制系统为背景,系统的论述了具有外加干扰系统的残差生成方法,并指出基于未知输入观测器的诊断方法在诊断故障时具有局限性。在其基础上提出了一种基于未知输入解耦的快变故障重构方法。这种方法可以有效的解决未知输入作用于系统时的故障诊断问题,尤其是对于执行器受快变故障影响的情况具有很好的效果。对于快变故障作用于传感器的情况,本文依然以喷气控制系统测量机构发生故障为例,给出了陀螺失效模式,并且详细地分析了陀螺的几种故障判别条件,研究了基于右特征结构配置的故障重构方法。该方法是基于左特征结构配置方法的一种有益补充。由于传统的基于特征结构配置的故障诊断方法通常是利用左特征结构配置,所以本方法在故障重构技术方面的应用研究,是对卫星故障诊断方法的一个技术扩充。对于慢变故障作用于执行器的情况,本文以动量轮控系统为研究对象,分析了偏置动量轮的故障模式,深入的研究了滑模观测器性质,提出了一种基于滑模观测器的故障重构方法,对系统所受的执行器慢变故障进行估计。由滑模变结构控制理论可知,由于滑模观测器抗外界干扰能力强于一般的观测器,因此利用该观测器建立的故障估计器很好的解决了慢变故障更易受到外界的干扰的问题。对于慢变故障作用于传感器的情况,根据上面对滑模观测器性质的分析,

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及其意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究的目的、意义
• 1.2 故障诊断技术研究综述
• 1.2.1 故障及其分类
• 1.2.2 故障诊断步骤
• 1.2.3 故障诊断的方法分类
• 1.3 基于观测器的故障诊断技术的发展
• 1.3.1 观测器的鲁棒故障诊断技术
• 1.3.2 鲁棒故障重构技术
• 1.3.3 航天器故障诊断技术的发展方向
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 未知输入解耦的执行器快变故障重构
• 2.1 引言
• 2.2 具有外界干扰的姿控系统故障诊断问题
• 2.2.1 三轴稳定卫星的喷气控制
• 2.2.2 基于未知输入观测器的故障诊断方法
• 2.3 基于未知输入重构的故障诊断方法
• 2.3.1 观测器设计与故障估计
• 2.3.2 观测器存在条件
• 2.4 姿控系统喷气执行机构故障重构仿真
• 2.4.1 系统故障描述
• 2.4.2 观测器设计与故障估计过程
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于右特征结构配置的传感器快变故障重构
• 3.1 引言
• 3.2 传统的基于左特征结构配置的故障诊断方法
• 3.2.1 问题的提出
• 3.2.2 左特征结构配置法
• 3.3 基于右特征结构配置的故障重构方法
• 3.3.1 观测器的建立
• 3.3.2 传感器故障的鲁棒重构
• 3.3.3 观测器的鲁棒设计
• 3.4 应用仿真计算
• 3.4.1 系统故障描述
• 3.4.2 仿真结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于滑模观测器的执行器慢变故障重构
• 4.1 引言
• 4.2 滑模观测器
• 4.2.1 Utkin观测器
• 4.2.2 Walcott-Zak观测器
• 4.2.3 综合的滑模观测器
• 4.3 基于滑模理论的故障重构技术
• 4.3.1 滑模观测器设计的标准形式
• 4.3.2 含有未知输入的执行器故障重构
• 4.3.3 滑模观测器的设计
• 4.4 动量轮控系统模型
• 4.4.1 动量轮的选取
• 4.4.2 动量轮控系统模型
• 4.5 仿真实例
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于滑模观测器的传感器慢变故障重构
• 5.1 引言
• 5.2 预备知识
• 5.3 传感器故障重构技术
• 5.3.1 利用等效输出注入项进行故障重构Ⅰ
• 5.3.2 利用等效输出注入项进行故障重构Ⅱ
• 5.3.3 直接对传感器故障重构
• 5.4 仿真实例
• 5.5 本章小结
• 第6章 卫星姿控系统基于模型的诊断系统开发
• 6.1 引言
• 6.2 风云一号卫星姿控系统概述
• 6.2.1 姿控系统的任务
• 6.2.2 姿控系统的工作原理
• 6.2.3 姿控系统的组成
• 6.3 姿态控制诊断系统方案设计
• 6.4 卫星姿控诊断推理平台
• 6.4.1 软件平台化技术
• 6.4.2 专家系统诊断模块
• 6.4.3 故障重构诊断模块
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理
• 致谢
• 个人简历