执行器故障的挠性航天器姿态滑模容错控制

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaOct．252011V01．32No．101869．1878ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．Gn文章编号：1000—6893(2011)10—1869—10执行器故障的挠性航天器姿态滑模容错控制肖冰，胡庆雷*，霍星，马广富哈尔滨工业大学控制科学与Z-程系，黑龙江哈尔滨150001摘要：针对挠性航天器执行器卡死与失效故障的姿态稳定控制问题，提出一种改进型滑模容错控制策略。与传统的滑模

2、控制相比，该方法能削弱传统滑模控制中抖振现象对姿态控制精度的影响，且它采用自适应技术在线估计系统中的不确定参数，从而保证控制性能对外部干扰、不确定甚至时变转动惯量具有良好的鲁棒性。该控制器并不需要任何在线或离线的故障信息，能够完全独立于地面站的支持。基于Lyapunov方法从理论上证明了该控制器不但能有效地处理执行器故障，而且保证闭环系统的全局一致最终有界稳定，实现对姿态的高精度控制。最后将所提出的方法应用于某型挠性航天器的姿态稳定任务中，仿真结果验证了该方法的有效性。关键词：挠性航天器；滑模控制；容错控制；卡死故障；失效故障中图分类号：V448

3、．2文献标识码：A由于在轨航天器的部件不具有可修复性，因此要求航天器在不进行任何维修的情况下能够有效处理部件故障。为此常采用“故障模式”与“安全模式”两种模式进行航天器的设计。当基于地面的诊断系统检测出航天器发生故障时，立即发送指令使航天器切换至“故障模式”。但是此种故障处理方式严重依赖于地面站的支持，其自主运行能力不佳。因此，如何提高航天器的可靠性与使用寿命，并在不依赖于地面站的前提下实现对故障的容错控制便显得至关重要。姜连祥等【lJ指出在目前航天器故障中，航天器姿态控制系统的故障占37％；而Tafazoli[23进一步指出姿态控制系统故障中执

4、行器故障占34％。因此，航天器执行器故障的容错控制便成为目前航天控制领域的一个研究热点[31]。Ro-berts等[8]针对FUSE卫星两个反作用飞轮故障问题，利用剩余的两个反作用轮以及磁力矩器重新设计控制器实现航天器再次在轨运行。Jin等L90基于时间滞后法为刚体航天器设计了一种被动的容错姿态跟踪控制器，该方法能够有效地处理4个反作用飞轮故障。Cai等[10]针对受外部干扰作用以及推力器失效故障的航天器姿态跟踪问题，设计了一种自适应姿态容错控制器。Godard等[1u应用终端滑模控制为航天器编队飞行控制提出了一种自适应变结构容错控制策略，但是该

5、方法仅在仿真中考虑了执行器故障，缺乏故障时的系统稳定性证明。为此，Lee等[12]应用有限时间控制策略，针对航天器大角度姿态机动问题设计了滑模容错控制器，但它只能处理执行器部分失效故障，容错能力单一。收稿日期：2010．12．22：退修日期：2011-02-22；录用日期：2011—03·25：网络出版时间：2011—04—0217：51：59网络出版地址：wwwcnkinet／kcms／detail／11．1929V．20110402．1751．003．htmIDOI：CNKI：11．1929／V．20110402．1751．003基金项目：国

6、家rI然科学基金(61004072)；高等学校博士学科点专项科研基金(20102302110031)；黑龙江省留学凹国人员科学基金(LC08C01)；哈尔滨市科技创新人才研究专项基金(2010RFLXG001)；中央高校基本科研业务费专项基金(HIT．NSRIF．2009003)*通讯作者．Tel．：0451-86413411-8606E-mall：huqinglei@hit．e由．cn引用格武l诲球。胡庆雷。i星。等．执行器故障的挠性航天嚣姿态滑模客错控觏!∞j航空学摄．20{1。32(10)：1869—1878．XiaoBing，HuQing

7、lei，HuoX／ng，eta1．Slidingmodefaulttolerantattitudecontrolforflexiblespacecraftunderactuatorfault￡J_／，ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．20

8、I．32(10)：1869．

9、878．航空学报Oct．252011V01．32No．10目前，国内学者也开展了航天器执行器故障容错控制相关工作的研究。如陈雪芹等[13]针对执行机构和敏感器故障问题，基于线性矩阵不等式(LMI)方法提出了一种鲁棒容错控制设计方法。Hu[143

10、针对反作用飞轮失效故障问题，基于变结构控制为挠性航天器设计了姿态稳定容错控制器。Jiang等Ll副为解决航天器姿态跟踪控制中可能出现的执