本文關(guān)鍵詞：執(zhí)行器故障情況下的航天器姿態(tài)容錯(cuò)控制方法研究

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【摘要】：在過去的25年中,有超過4000顆衛(wèi)星在世界各地發(fā)射升空,衛(wèi)星已經(jīng)成為了世界各國(guó)進(jìn)行空間通訊、地球觀測(cè)等技術(shù)的主要手段。盡管衛(wèi)星在設(shè)計(jì)制造的過程中都會(huì)采用最新的技術(shù)并進(jìn)行大量的測(cè)試,然而,空間環(huán)境非常惡劣,每一次空間任務(wù)都是一次巨大的挑戰(zhàn),還是有許多衛(wèi)星未能完成計(jì)劃任務(wù)就停止服務(wù),并最終導(dǎo)致任務(wù)失敗。加拿大航天局的一份報(bào)告表明,在衛(wèi)星的所有分系統(tǒng)中,發(fā)生故障的概率最高的分系統(tǒng)是姿態(tài)軌道控制系統(tǒng),超過了30%。而其中由執(zhí)行器故障所引發(fā)失敗的案例更是超過了50%。因此,研究衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)面對(duì)執(zhí)行器故障時(shí)的容錯(cuò)控制方法是具有重要的工程意義的。本論文依據(jù)傳統(tǒng)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)方法,即假設(shè)衛(wèi)星為一次性使用且不可維修升級(jí)的條件下,從理論和應(yīng)用兩方面對(duì)具有執(zhí)行器故障的衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)容錯(cuò)控制問題進(jìn)行深入的研究。目前工程上應(yīng)用的控制方案,針對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中執(zhí)行器出現(xiàn)故障的情況缺乏完成度良好的故障主動(dòng)解決方案。而在設(shè)計(jì)自主姿態(tài)容錯(cuò)控制系統(tǒng)時(shí)衛(wèi)星系統(tǒng)的非線性姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型建模、快速響應(yīng)能力、執(zhí)行器輸出力矩飽和以及執(zhí)行器故障不確定性都是控制方案設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。本文將重點(diǎn)針對(duì)這些難點(diǎn)為衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制方案,保證系統(tǒng)任務(wù)的完成。本文所提出的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)容錯(cuò)控制方案的有效性通過兩種方式驗(yàn)證:一是通過Lyapunov穩(wěn)定性理論分析證明其閉環(huán)系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性;二是通過數(shù)值仿真驗(yàn)證該控制方法的控制性能,以及其有效性和可行性。考慮衛(wèi)星的執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生部分失效乘性故障的情況下,設(shè)計(jì)反步控制方案。首先,以無故障衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)為模型,基于Lyapunov方程得到一種全局穩(wěn)定的容錯(cuò)控制方案;然后,探討不同的Lyapunov函數(shù)組成部分的定義與相關(guān)控制律的關(guān)系,并提出一種基于四元數(shù)分段的幾何方法來確定Lyapunov函數(shù)勢(shì)能部分的方法,得到的Lyapunov方程的誤差函數(shù)與誤差空間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng);在此基礎(chǔ)上,針對(duì)存在部分失效乘性故障的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)模型的穩(wěn)定性進(jìn)行分析;最后,通過與目前工程應(yīng)用較廣泛的姿態(tài)控制方法進(jìn)行仿真對(duì)比,確定此反步控制方案能夠在衛(wèi)星受到常值型故障和時(shí)變型故障的情況下均具備更好的響應(yīng)速度和容錯(cuò)能力。針對(duì)執(zhí)行器發(fā)生乘性故障(部分失效與完全失效)的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng),提出了一種基于全局型滑�？刂评碚摰淖赃m應(yīng)滑模容錯(cuò)跟蹤控制策略。首先給出衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤的數(shù)學(xué)模型;在衛(wèi)星系統(tǒng)模型執(zhí)行器不冗余情況下,考慮部分失效故障的發(fā)生,基于變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)原理,設(shè)計(jì)滑模面,并考慮飛輪力矩受限的情況,設(shè)計(jì)相應(yīng)的容錯(cuò)控制方案;然后將該方法擴(kuò)展到衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行器冗余的情況,考慮執(zhí)行器中的一個(gè)或一些發(fā)生完全失效故障的情況;最后,通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。最后,本文考慮了當(dāng)衛(wèi)星的執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生混合性故障(乘性故障和加性故障)時(shí),基于參考模型的理論,提出一種自適應(yīng)容錯(cuò)控制方法。建立一個(gè)非線性的理想衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)模型,不同于一般的控制方法中姿態(tài)參數(shù)追蹤一個(gè)常值或給定的姿態(tài)曲線,該控制方法中通過實(shí)際星體系統(tǒng)中的角速度和四元數(shù)參數(shù)追蹤理想模型中的角速度和四元數(shù)參數(shù)來確定姿態(tài)。這樣,當(dāng)執(zhí)行器故障發(fā)生時(shí),實(shí)際系統(tǒng)的姿態(tài)參數(shù)與理想模型的姿態(tài)參數(shù)會(huì)發(fā)生偏差,而通過對(duì)該偏差的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)控制策略主動(dòng)容錯(cuò)。這種控制方法不需要辨別故障發(fā)生的類型,適用于執(zhí)行器加性故障情況和乘性故障的情況。通過仿真與傳統(tǒng)PD控制方法進(jìn)行對(duì)比,可以看出該控制方法可以可靠、高效的保證衛(wèi)星對(duì)故障的自主處理。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V448.22

【相似文獻(xiàn)】

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