多体互联系统的容错控制及其航天应用

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1、中图分类号：TP273论文编号：102870318-SX157学科分类号：081101硕士学位论文多体互联系统的容错控制及其航天应用研究生姓名张泽君学科、专业控制理论与控制工程研究方向故障诊断与容错控制指导教师杨浩教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringFaultTolerantControlofInterconnectedMultibodySystemand

2、itsSpaceApplicationAThesisinControlTheoryandControlEngineeringbyZhangZejunAdvisedbyProf.YangHaoSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018南京航空航天大学硕士学位论文摘要由于航空、航天和机器人领域的机械控制系统规模不断增大，大规模的复杂系统已经不能用简单的单一模型建模，而采用多体系统或互联系统的方法能够有效地处理这类非线性、强

3、耦合的大规模系统，满足系统的控制精度要求。由于这类系统子系统数目多，其中任意一个子系统发生故障，都会影响整个系统的稳定性，因此多体系统和互联系统的容错控制(FaultTolerantControl,FTC)研究是重大工程领域的迫切需要。本文首先介绍了课题的背景和研究意义，概述了多体系统建模、控制和容错问题，并介绍了互联系统的基本模型，总结了互联系统的容错控制技术方法。其次，针对一类端口受控哈密顿建模的多体系统，提出了一种基于能量守恒思想的协同容错控制方案。当多体系统中的某个子系统发生故障，改变了系统的能量，通过外部控制输入和端口内部控制输入，将控制量传

4、递到故障子系统中，抑制系统能量的变化，使整个系统能量保持守恒。为了验证该协同容错控制策略的有效性，考虑了一类由机械连接装置和木块组成的端口受控多体系统，仿真结果验证了该控制算法的可行性。接着，本文针对串联三体绳系卫星系统，将其模型在平衡点处进行简化，并用互联系统的形式来描述该绳系卫星系统，提出了一种分散式控制算法，使得每一个卫星的控制器都只利用自身的状态信息。在稳定性分析中，采用互联系统的分析方法，当卫星之间的耦合项满足小增益原理时，整个系统的稳定性能够保证。虽然分散式控制对耦合条件的要求高，但是此控制方案能够大大减小卫星之间的通讯负担。仿真结果验证了

5、该分散式容错控制方案的有效性。最后，针对该绳系卫星系统，进一步提出了其他三种在互联系统中常见的控制方案，即集中式控制、半集中式控制和分布式控制，并且讨论了某个子卫星执行器发生故障下的容错控制问题，根据四种控制方案分别设计了相应的容错控制器。由于子卫星之间的耦合关系，进一步讨论了互联系统的故障传播问题。仿真分析中，通过系统在无故障和发生故障时四种控制算法下状态轨迹的对比，分析了四种控制算法的优劣性。关键词：多体系统，互联系统，容错控制，能量守恒，绳系卫星，分散式控制I多体互联系统的容错控制及其航天应用AbstractDuetotheincreasings

6、caleofmechanicalcontrolsystemsinthefieldofaviation,aerospaceandrobot,large-scalesystemhasbeenunabletobemodeledbysingle-bodymodelingmethod.However,methodsofmultibodysystemsorinterconnectedsystemscaneffectivelydealwithsuchnonlinearcoupledsystems,improvingcontrolaccuracygreatly.Sin

7、celarge-scaleconsistsofalotofsubsystems,afaultoccurringinanysubsystemwillaffectthestabilityofthewholesystem.Therefore,itisanurgentneedtocarryoutresearchonfaulttolerantcontrol(FTC)ofmultibodysystemsandinterconnectedsystemsinthefieldofmajorengineering.Tobeginwith,thispapermakesani

8、ntroductionofthebackgroundandsignificanceofthis