【摘要】：執(zhí)行器故障,例如失控故障和驅(qū)動符號不確定,可能導(dǎo)致衛(wèi)星姿態(tài)控制精度下降,甚至造成姿態(tài)失控并丟失整顆衛(wèi)星。而執(zhí)行器故障的故障模式、故障時間和故障值的不確定,會使系統(tǒng)出現(xiàn)較大的參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定性,給姿態(tài)控制設(shè)計帶來很大困難。為了增強衛(wèi)星運行的安全性和可靠性,具有故障補償和辨識能力的姿態(tài)控制系統(tǒng)受到了廣泛關(guān)注,并已成為航天領(lǐng)域的研究熱點之一。自適應(yīng)方法因具有有效處理系統(tǒng)不確定性的能力而被廣泛用于故障補償和辨識系統(tǒng)設(shè)計。目前有關(guān)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)自適應(yīng)故障補償和辨識的研究仍然存在一些難點,如故障辨識時系統(tǒng)穩(wěn)定性問題、以及失控故障和驅(qū)動符號不確定性的補償問題等。本文深入研究了衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行器故障的自適應(yīng)補償和辨識問題,利用自適應(yīng)方法對由失控故障和驅(qū)動符號不確定性引起的系統(tǒng)不確定性進行估計和補償,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和漸近跟蹤性能。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計了具有自穩(wěn)定特性的自適應(yīng)失控故障精確辨識系統(tǒng),在保證系統(tǒng)自穩(wěn)定的同時精確辨識故障執(zhí)行器。本文研究了不同動力學(xué)下的執(zhí)行器故障補償和辨識問題,建立了一套系統(tǒng)的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)自適應(yīng)故障補償和辨識理論框架,主要內(nèi)容包括:(1)針對剛體衛(wèi)星轉(zhuǎn)動慣量已知和未知情況,分別設(shè)計失控故障的自適應(yīng)補償控制系統(tǒng)。首先,對由故障和轉(zhuǎn)動慣量引起的系統(tǒng)不確定性進行參數(shù)化,特別是控制增益矩陣不確定性:當轉(zhuǎn)動慣量已知時,構(gòu)造正定控制增益矩陣,并選擇合適的Lyapunov函數(shù)將其消除;當轉(zhuǎn)動慣量未知時,構(gòu)造所有順序主子式符號已知的控制增益矩陣,并對其進行SDU分解,保證控制增益矩陣的估計矩陣為非奇異。而后,對參數(shù)化后系統(tǒng)存在的不確定性進行估計,并設(shè)計自適應(yīng)控制器,實現(xiàn)對失控故障的補償。(2)針對撓性衛(wèi)星轉(zhuǎn)動慣量未知情況,設(shè)計失控故障自適應(yīng)補償控制系統(tǒng)。首先,對動力學(xué)不確定性、撓性振動不確定性、故障不確定性以及控制增益矩陣不確定性進行參數(shù)化;然后,設(shè)計自適應(yīng)控制器對失控故障進行補償;最后,利用逼近函數(shù)處理由符號函數(shù)引起的控制信號振蕩問題。(3)針對微小衛(wèi)星轉(zhuǎn)動慣量未知情況,設(shè)計具有自穩(wěn)定特性的失控故障自適應(yīng)辨識系統(tǒng)。首先,設(shè)計自適應(yīng)故障補償控制器,保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和漸近跟蹤性能;其次,針對每種可能的故障模式設(shè)計自適應(yīng)估計器,利用估計誤差計算性能函數(shù),并比較和辨識最小性能函數(shù)對應(yīng)的故障模式;最后,基于線性無關(guān)條件設(shè)計特殊的參考信號。這樣,自適應(yīng)控制器在保證系統(tǒng)自穩(wěn)定的同時控制衛(wèi)星姿態(tài)按照設(shè)計的參考信號進行機動,使得與實際故障模式匹配的性能函數(shù)最小,達到精確辨識的目的。(4)針對剛體衛(wèi)星轉(zhuǎn)動慣量未知情況,設(shè)計驅(qū)動信號符號不確定性多模型自適應(yīng)補償控制系統(tǒng)。首先,針對每種可能的驅(qū)動符號模式設(shè)計自適應(yīng)估計器;其次,針對每一個估計器設(shè)計自適應(yīng)控制器,保證當系統(tǒng)工作在其中一個控制器的情況下其對應(yīng)的估計器狀態(tài)漸近跟蹤參考信號;再次,利用估計器估計誤差計算性能函數(shù),并選擇最小的性能函數(shù)對應(yīng)的控制器產(chǎn)生控制信號;最后,利用系統(tǒng)跟蹤誤差、估計器估計誤差、估計器跟蹤誤差三者之間的誤差轉(zhuǎn)換關(guān)系證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和漸近跟蹤性能。將上述提出的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行器故障的自適應(yīng)補償和辨識方法應(yīng)用到各種衛(wèi)星模型上進行了仿真。結(jié)果表明本文所提自適應(yīng)故障補償方法可有效保證系統(tǒng)穩(wěn)定和漸近跟蹤性能,所提自適應(yīng)故障辨識方法可在保證系統(tǒng)自穩(wěn)定的同時精確辨識故障執(zhí)行器。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V448.22

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本文編號：2392203