卫星姿态控制系统的故障诊断与容错方法研究

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1、博士学位论文卫星姿态控制系统的故障诊断与容错方法研究RESEARCHONFAULTDIAGNOSISANDFAULT-TOLERANTCONTROLOFSATELLITEATTITUDECONTROLSYSTEM管宇哈尔滨工业大学2012年12月国内图书分类号：TP273学校代码：10213国际图书分类号：681.32.5密级：公开工学博士学位论文卫星姿态控制系统的故障诊断与容错方法研究博士研究生：管宇导师：张迎春教授申请学位：工学博士学科：控制科学与工程所在单位：航天学院答辩日期：2012年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedInde

2、x:TP273U.D.C:681.32.5DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONFAULTDIAGNOSISANDFAULT-TOLERANTCONTROLOFSATELLITEATTITUDECONTROLSYSTEMCandidate：GuanYuSupervisor：Prof.ZhangYingchunAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：ControlScience&EngineeringAffiliat

3、ion：SchoolofAstronauticsDateofDefence：December,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要姿态控制系统是保障卫星在轨正常工作的核心部分，由于长期运行于恶劣的空间环境，尤其是敏感器、执行机构等部件长期不断地在执行各类控制操作，极易出现故障，进而会导致不可修复的严重后果，因此卫星姿态控制系统的故障诊断和容错控制技术一直是航天领域研究热点和难点问题。同时，由于机构运动、燃料消耗及空间环境影响等将导致在轨卫星的系统模型参数发生未知

4、变化，传统上基于精确模型的姿态容错控制技术具有一定的局限性。本论文在国家自然科学基金项目(课题编号：61104026)资助下，面向我国重大设施及装备的高可靠性及长寿命战略发展需求，从理论和应用两方面对具有不确定模型影响的卫星姿态容错控制问题进行了深入的研究，取得如下研究成果。考虑存在各种噪声、未知干扰和模型不确定性，引入鲁棒H∞控制理论，提出了一种面向线性不确定系统的完整性被动容错控制设计方法。该方法利用线性不确定系统模型，将执行机构/姿态敏感器失效情况下被动容错控制器设计转换为相应的线性矩阵不等式的可行性问题，并进一步给出了系统具有完整性的充分条件和鲁

5、棒H∞容错控制器的设计方法。在对卫星姿态动力学模型线性化基础上，采用所提方法设计了执行机构/姿态敏感器故障状态下的卫星姿态鲁棒H∞容错控制器，数学仿真分析表明该控制器能够保证执行机构/姿态敏感器突变或缓变故障时卫星姿态控制系统的控制性能，具有对已知故障良好的容错能力。针对存在未知干扰输入的Lipschitz非线性系统，融合基于模型和数据驱动的控制技术，提出了一种基于迭代学习未知输入观测器(IL-UIO)的主动容错控制方法。首先，采用对模型不确定和干扰解耦的原理，设计了一种非线性未知输入观测器，增强了系统故障观测的鲁棒性；在此基础上，利用被控系统的I/O数

6、据，采用迭代学习利用上一步的故障观测信息来估计当前故障信息，跟踪和检测系统由于故障引起的改变并进而实现对故障的在线重构。采用Lyapunov稳定性理论证明了IL-UIO的鲁棒稳定和速度误差的一致有界性。将所提方法应用于面向执行机构故障的卫星姿态容错控制器设计，数学仿真结果表明IL-UIO能够有效跟随过去的故障系统，确保一定系统性能的前提下实现对飞轮故障的容错，由于采用了基于模型的观测器与数据驱动方法相结合，二者相互渗透、优势互补，即可增强系统残差对未知干扰输入的鲁棒性，又提高了系统对数据的使用质量。由于卫星姿态敏感器故障会污染到下一时刻其它健康敏感器的测

7、量信息，影响对真正故障源的准确判断，对此，考虑卫星动力学模型参数发生的未知变化，基于PCA和SIM识别技术，提出了一种基于子空间数据驱动的卫星姿态敏感器故-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文障检测、隔离和辨识(FDI)方法。该方法首先采用等价空间法对测量数据进行预处理，构建残差信号；然后采用子空间法辨识出增广观测矩阵，进而实现敏感器故障鲁棒检测；并通过线性变换对等价空间进行降阶，减小算法在线计算量。最后，将上述方法应用于卫星姿控系统的敏感器故障问题，数学仿真结果表明，不依赖故障先验知识，仅利用输入输出观测数据，就能够在线完成未知系统模型情况下的敏感器故障

8、检测、隔离与辨识，由于采用了故障降阶检测处理，有效减少了计算量，适宜于卫星在轨应