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

  更多相關(guān)文章： 航天器 姿態(tài)控制 執(zhí)行器故障 容錯控制 自適應(yīng)控制

【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)成為了世界各國進(jìn)行空間通訊、地球觀測等技術(shù)的主要手段。盡管衛(wèi)星在設(shè)計制造的過程中都會采用最新的技術(shù)并進(jìn)行大量的測試,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)面對執(zhí)行器故障時的容錯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)計方法,即假設(shè)衛(wèi)星為一次性使用且不可維修升級的條件下,從理論和應(yīng)用兩方面對具有執(zhí)行器故障的衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)容錯控制問題進(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解決方案。而在設(shè)計自主姿態(tài)容錯控制系統(tǒng)時衛(wèi)星系統(tǒng)的非線性姿態(tài)動力學(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)計的難點。本文將重點針對這些難點為衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計容錯控制方案,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)容錯控制方案的有效性通過兩種方式驗證: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)值仿真驗證該控制方法的控制性能,以及其有效性和可行性�？紤]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)相對應(yīng);在此基礎(chǔ)上,針對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變型故障的情況下均具備更好的響應(yīng)速度和容錯能力。針對執(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)計原理,設(shè)計滑模面,并考慮飛輪力矩受限的情況,設(shè)計相應(yīng)的容錯控制方案;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,基于參考模型的理論,提出一種自適應(yīng)容錯控制方法。建立一個非線性的理想衛(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)追蹤一個常值或給定的姿態(tài)曲線,該控制方法中通過實際星體系統(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,實際系統(tǒng)的姿態(tài)參數(shù)與理想模型的姿態(tài)參數(shù)會發(fā)生偏差,而通過對該偏差的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)控制策略主動容錯。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)行對比,可以看出該控制方法可以可靠、高效的保證衛(wèi)星對故障的自主處理。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V448.22

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王培進(jìn),張鴻雁;軟智能執(zhí)行器對象設(shè)計方法與應(yīng)用[J];煙臺大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程版);2005年04期

2 耿淼;姜斌;郭玉英;楊浩;;執(zhí)行器故障參數(shù)不可測飛行系統(tǒng)的模型跟蹤重構(gòu)控制[J];東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2009年S1期

3 李長玉;電動執(zhí)行器故障的修理一例[J];電子儀器儀表用戶;1996年01期

4 胡建剛,黃振利;3810R電子式執(zhí)行器常見故障與分析[J];儀表技術(shù);2004年03期

5 尚群立;孫黎;吳海燕;;基于模型的執(zhí)行器故障診斷[J];浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版);2007年10期

6 楊飛生;關(guān)守平;;執(zhí)行器失效的跟蹤控制律重構(gòu):故障掩蔽法[J];東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2013年05期

7 孫黎;;執(zhí)行器故障診斷的方法[J];中國水運(學(xué)術(shù)版);2007年10期

8 馬敬偉;趙紅超;張向龍;;帶有多個狀態(tài)滯后的連續(xù)系統(tǒng)正實控制[J];上海交通大學(xué)學(xué)報;2011年08期

9 麻貴峰,楊國田,白焰;執(zhí)行器的智能控制初探[J];自動化儀表;2004年01期

10 喬軍麗;賈新春;劉博;;帶有執(zhí)行器故障的連續(xù)時間系統(tǒng)的可靠時滯控制[J];中北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2006年02期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 耿淼;姜斌;郭玉英;楊浩;;執(zhí)行器故障參數(shù)不可測飛行系統(tǒng)的模型跟蹤重構(gòu)控制[A];2009年中國智能自動化會議論文集（第五分冊）[東南大學(xué)學(xué)報（增刊）][C];2009年

2 孫遠(yuǎn)志;牛征;黃孝彬;牛玉廣;劉吉臻;;基于部件信息的執(zhí)行器故障診斷研究[A];2004電站自動化信息化學(xué)術(shù)技術(shù)交流會議論文集[C];2004年

3 袁立嵩;蔣慰孫;;針對執(zhí)行器故障的系統(tǒng)二次穩(wěn)定性可容錯條件[A];1994年中國控制會議論文集[C];1994年

4 虞繼敏;吳建功;丁明智;張萬鵬;;具有執(zhí)行器故障的不確定線性變時滯系統(tǒng)的可靠保成本控制[A];2009年中國智能自動化會議論文集（第三分冊）[C];2009年

5 趙瑾;申忠宇;顧幸生;龍素華;;動態(tài)不確定系統(tǒng)魯棒執(zhí)行器故障檢測與重構(gòu)[A];2009年中國智能自動化會議論文集（第七分冊）[南京理工大學(xué)學(xué)報（增刊）][C];2009年

6 王志宏;王永驥;黃心漢;;控制系統(tǒng)執(zhí)行器故障的一種診斷方法[A];1996年中國控制會議論文集[C];1996年

7 岑朝輝;魏蛟龍;蔣睿;劉熊;;帶有非線性執(zhí)行器控制系統(tǒng)的非完全失效故障診斷研究[A];第二十九屆中國控制會議論文集[C];2010年

8 冒澤慧;姜斌;;基于自適應(yīng)觀測器的MIMO系統(tǒng)執(zhí)行器故障調(diào)節(jié)[A];第16屆中國過程控制學(xué)術(shù)年會暨第4屆全國故障診斷與安全性學(xué)術(shù)會議論文集[C];2005年

9 王福忠;姚波;井元偉;張嗣瀛;;一類不確定線性系統(tǒng)具有執(zhí)行器故障的區(qū)域極點配置[A];第二十二屆中國控制會議論文集（上）[C];2003年

10 王丹;牛小兵;吳志良;姚玉斌;;飛行控制系統(tǒng)執(zhí)行器卡死故障的診斷[A];第25屆中國控制會議論文集（中冊）[C];2006年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前6條

1 姚雪蓮;基于自適應(yīng)多設(shè)計融合的執(zhí)行器故障補(bǔ)償技術(shù)及其應(yīng)用[D];南京航空航天大學(xué);2015年

2 馬亞杰;衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)故障補(bǔ)償與辨識[D];南京航空航天大學(xué);2015年

3 韓宇;執(zhí)行器故障情況下的航天器姿態(tài)容錯控制方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

4 高春巖;基于模型的執(zhí)行器故障診斷及其在衛(wèi)星姿控系統(tǒng)中的應(yīng)用[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

5 劉兵;具有執(zhí)行器隨機(jī)失效非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)容錯控制[D];華中科技大學(xué);2014年

6 張紹杰;一類非線性系統(tǒng)的若干控制問題研究[D];南京航空航天大學(xué);2009年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張秋明;高速列車執(zhí)行器故障程度識別和容錯控制[D];北京交通大學(xué);2016年

2 張路洋;執(zhí)行器飽和Delta算子系統(tǒng)吸引域分析[D];燕山大學(xué);2016年

3 何宜東;離散模糊系統(tǒng)的可靠性控制[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

4 黃存堅;執(zhí)行器氣動定位系統(tǒng)的實驗建模[D];杭州電子科技大學(xué);2011年

5 方敏;執(zhí)行器飽和控制研究[D];山東大學(xué);2007年

6 王麗華;執(zhí)行器部分故障下的自適應(yīng)容錯控制算法研究[D];吉林大學(xué);2006年

7 王英敏;基于信息融合的執(zhí)行器故障診斷研究[D];華北電力大學(xué)（河北）;2007年

8 王磊;基于虛擬樣機(jī)的氣動執(zhí)行器故障人工免疫診斷方法研究[D];燕山大學(xué);2013年

9 董婧;執(zhí)行器發(fā)生故障情況下不確定系統(tǒng)的滑�？刂芠D];華東理工大學(xué);2014年

10 羅厚福;執(zhí)行器故障下自適應(yīng)容錯控制算法研究[D];東北大學(xué);2010年

，

本文編號：1137284