推力器故障的刚体航天器自适应变结构容错控制.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252013V01．34No．4909-918ISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．edu．CRdoi：10．7527／$1000—6893．2013．0152推力器故障的刚体航天器自适应变结构容错控制胡庆雷*，张爱华，李波哈尔滨工业大学控制科学与工程系，黑龙江哈尔滨150001摘要：针对刚体航天器存在未知惯量参数、推力器故障以及控制受限的姿态控制问题，提出了一类自适应变结构容错控制方法，

2、显式地引入推力器输出的饱和幅值，以确保控制输出在其要求界的范围内；同时，引入控制参数在线自适应调整技术，提高了控制律对参数、干扰以及故障变化的自适应能力；对设计者而言，推力器故障信息不需要进行在线检测和分离。此外，进一步考虑存在推力偏差对系统性能的影响，设计控制器参数使得闭环系统对这类推力偏差具有L：增益稳定性。最后，将设计的控制器应用于航天器的姿态机动控制，仿真结果表明该控制器能有效地抑制外部干扰、参数不确定性和推力器各种故障的约束，在完成姿态机动的同时，保证其控制输出满足饱和受限界的要求。关键词：航天器；容错控制；自适应变结构控制；控制受限；推

3、力器故障中图分类号：V448．2文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)04—0909—10随着航天技术的发展，对航天器姿态控制系统的可靠性、高精度、自主运行能力以及容错能力等要求越来越高。然而，航天器长期运行在失重、高低温和强辐射的深空环境中，机械或电气部件的老化或磨损难免会造成执行机构故障，这会导致控制精度、稳定度等性能降低，更甚是导致航天器控制系统的崩溃。许多学者针对这些问题展开了广泛深入的研究，特别是航天器的自主容错控制问题。鲁棒非线性控制方法在航天器姿态控制中得到广泛的研究和应用，如反馈控制、最优控制、非线性H。。控制、自适

4、应控制、变结构控制等及其综合控制方法[1。5]，其中，变结构控制[61本质上是一类特殊的非线性控制，能很好地抑制干扰力矩和系统的不确定带来的影响，并在航天器姿态控制中得到了广泛的应用[4。5’7_8]。自适应控制，在不需要知道上述干扰和不确定性的界的情况下，通过自适应学习策略来确定一个时变的控制增益，在航天器控制中也得到了发展[9。1⋯。近年来，变结构控制与自适应控制在航天器姿态控制中的综合研究与应用，得到大量学者的重视。文献[5]针对挠性航天器姿态机动控制设计了一个双重控制器，即自适应滑模控制器和基于线性二次调节器的反馈控制器；又综合考虑存在参数

5、不确定性和外干扰的挠性航天器的旋转机动和主动振动控制，设计了一类基于状态反馈的自适应滑模控制器完成姿态跟踪控制u1

6、。文献[12]针对主从航天器的编队跟踪飞行，设计了一类鲁棒自适应终端滑模控制器，有效抑制了参数不确定性和外干扰的影响，减小了控制系统的抖振现象。收稿日期：2012—06—01；退修日期：2012-06·24；录用日期：2012—07—27；网络出版时间：2012．08．2113：52网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20120821．1352002．hlmI基金项目：国家自然科学基金(

7、61004072，61174200，61273175)；高等学校博士学科点专项科研基金(20102302110031)；教育部新世纪优秀人才计划(NCET一11—0801)*通讯作者．Tel．：0451—86413411—8606E—mail：huqinglei@hitedu．cn引塌搭武

8、HuQL．ZhangAH．Li8．Adaptivevariablestructurefaulttolerantcontrolofrigidspacecraftunderthrusterfaults?ActaAeronau．ticaetAstronauticaSi

9、nica，2013。34(4)：909—918．葫庆雷．张爱华．李波．推力器故障的鼬体航天器自适应变结构容错控钢．航空学报．2013，34(4)：909-918．航空学报Apr252013Vol34No．4上述研究，仅限于航天器处于所谓的“安全模式”下的控制系统设计，而当航天器处于“故障模式”即执行机构出现故障时，研究航天器在没有地面支持的前提下自主容错控制的新机理和新方法，从而增强航天器的可靠性并延长其自主在轨运行时间，具有至关重要的价值和意义。所谓的容错控制(FaultTolerantControl，FTC)[1⋯，就是在控制系统发生故障的情况

10、下，能够自主补偿故障的影响，从而维护系统的稳定性和尽可能地恢复系统故障前的性能，以保证控制系统稳定、可靠、安全的运行。Ji