卫星姿态控制系统的自适应故障补偿与辨识

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1、中图分类号：TP273论文编号：102870315-B005学科分类号：081101博士学位论文卫星姿态控制系统的自适应故障补偿与辨识研究生姓名马亚杰学科、专业控制理论与控制工程研究方向航天器故障诊断与容错控制指导教师陶钢教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一五年九月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringAdaptiveFaultCompensationandIdentificatio

2、nforSatelliteAttitudeControlSystemsAThesisinControlTheoryandControlEngineeringByYajieMaAdvisedbyProf.GangTaoSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophySeptember,2015南京航空航天大学博士学位论文摘要执行器故障，例如失控故障和驱动符号不确定，可能导致卫星姿态控制精度下降，甚至造成姿态失控并丢失整颗卫星。而执

3、行器故障的故障模式、故障时间和故障值的不确定，会使系统出现较大的参数和结构不确定性，给姿态控制设计带来很大困难。为了增强卫星运行的安全性和可靠性，具有故障补偿和辨识能力的姿态控制系统受到了广泛关注，并已成为航天领域的研究热点之一。自适应方法因具有有效处理系统不确定性的能力而被广泛用于故障补偿和辨识系统设计。目前有关卫星姿态控制系统自适应故障补偿和辨识的研究仍然存在一些难点，如故障辨识时系统稳定性问题、以及失控故障和驱动符号不确定性的补偿问题等。本文深入研究了卫星姿态控制系统执行器故障的自适应补偿和辨识问题，利用自适应方法对由失控故障和

4、驱动符号不确定性引起的系统不确定性进行估计和补偿，保证系统的稳定性和渐近跟踪性能。在此基础上，设计了具有自稳定特性的自适应失控故障精确辨识系统，在保证系统自稳定的同时精确辨识故障执行器。本文研究了不同动力学下的执行器故障补偿和辨识问题，建立了一套系统的卫星姿态控制系统自适应故障补偿和辨识理论框架，主要内容包括：(1)针对刚体卫星转动惯量已知和未知情况，分别设计失控故障的自适应补偿控制系统。首先，对由故障和转动惯量引起的系统不确定性进行参数化，特别是控制增益矩阵不确定性：当转动惯量已知时，构造正定控制增益矩阵，并选择合适的Lyapuno

5、v函数将其消除；当转动惯量未知时，构造所有顺序主子式符号已知的控制增益矩阵，并对其进行SDU分解，保证控制增益矩阵的估计矩阵为非奇异。而后，对参数化后系统存在的不确定性进行估计，并设计自适应控制器，实现对失控故障的补偿。(2)针对挠性卫星转动惯量未知情况，设计失控故障自适应补偿控制系统。首先，对动力学不确定性、挠性振动不确定性、故障不确定性以及控制增益矩阵不确定性进行参数化；然后，设计自适应控制器对失控故障进行补偿；最后，利用逼近函数处理由符号函数引起的控制信号振荡问题。(3)针对微小卫星转动惯量未知情况，设计具有自稳定特性的失控故障

6、自适应辨识系统。首先，设计自适应故障补偿控制器，保证系统稳定性和渐近跟踪性能；其次，针对每种可能的故障模式设计自适应估计器，利用估计误差计算性能函数，并比较和辨识最小性能函数对应的故障模式；最后，基于线性无关条件设计特殊的参考信号。这样，自适应控制器在保证系统自稳定的同时控制卫星姿态按照设计的参考信号进行机动，使得与实际故障模式匹配的性能函数最小，达到精确辨识的目的。(4)针对刚体卫星转动惯量未知情况，设计驱动信号符号不确定性多模型自适应补偿控制系统。首先，针对每种可能的驱动符号模式设计自适应估计器；其次，针对每一个估计器设计自适I卫

7、星姿态控制系统的自适应故障补偿与辨识应控制器，保证当系统工作在其中一个控制器的情况下其对应的估计器状态渐近跟踪参考信号；再次，利用估计器估计误差计算性能函数，并选择最小的性能函数对应的控制器产生控制信号；最后，利用系统跟踪误差、估计器估计误差、估计器跟踪误差三者之间的误差转换关系证明了系统的稳定性和渐近跟踪性能。将上述提出的卫星姿态控制系统执行器故障的自适应补偿和辨识方法应用到各种卫星模型上进行了仿真。结果表明本文所提自适应故障补偿方法可有效保证系统稳定和渐近跟踪性能，所提自适应故障辨识方法可在保证系统自稳定的同时精确辨识故障执行器。

8、关键词：驱动符号不确定性、执行器故障、自适应补偿，故障辨识，失控，卫星姿态控制II南京航空航天大学博士学位论文ABSTRACTActuatorfaults,suchaslossofcontrolfailuresandun