發(fā)布時(shí)間：2017-08-23 02:09

  本文關(guān)鍵詞：基于學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)故障重構(gòu)研究

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【摘要】：姿態(tài)控制系統(tǒng)作為衛(wèi)星至關(guān)重要的分系統(tǒng),受衛(wèi)星長(zhǎng)期運(yùn)行于惡劣空間環(huán)境的影響,其不可避免的易于發(fā)生故障,特別是執(zhí)行機(jī)構(gòu)和姿態(tài)敏感器等部件。對(duì)于在軌衛(wèi)星來(lái)說(shuō),姿控系統(tǒng)故障輕則導(dǎo)致控制精度降低、閉環(huán)姿控系統(tǒng)不穩(wěn)定,重則衛(wèi)星壽命縮短、衛(wèi)星完全失效。為了保證衛(wèi)星的可靠性和可維護(hù)性,衛(wèi)星姿控系統(tǒng)一般提供了硬件冗余以及簡(jiǎn)單故障檢測(cè)與診斷(FDI)功能。然而,為了實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星自主故障診斷以及快速精確的故障容錯(cuò),獲得衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障大小及其變化趨勢(shì)是十分必要的。目前,針對(duì)衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障重構(gòu)問(wèn)題的研究還相對(duì)較少。自2001年基于學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器(LO)的故障重構(gòu)方法被提出以來(lái),雖然該課題方向具有一定的研究成果,但其仍存在諸多亟待解決的問(wèn)題,如魯棒性問(wèn)題、敏感器故障重構(gòu)問(wèn)題以及系統(tǒng)化LO設(shè)計(jì)問(wèn)題等�；诖�,本論文對(duì)基于LO的故障重構(gòu)理論及其在微小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。本論文的主要工作與研究成果如下:研究了基于P型LO的微小衛(wèi)星反作用飛輪失效故障重構(gòu)問(wèn)題。針對(duì)現(xiàn)有基于P型LO的執(zhí)行機(jī)構(gòu)失效故障重構(gòu)設(shè)計(jì)未提供系統(tǒng)化觀(guān)測(cè)器矩陣求解方法且需滿(mǎn)足控制輸入有界條件,提出了一種改進(jìn)P型LO設(shè)計(jì)。所提設(shè)計(jì)不僅基于線(xiàn)性矩陣不等式(LMI)技術(shù)提供了一種系統(tǒng)化P型LO設(shè)計(jì)方法,而且無(wú)需控制輸入有界條件。進(jìn)一步,利用H∞技術(shù)設(shè)計(jì)了魯棒P型LO抑制干擾輸入對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)失效故障重構(gòu)的影響。針對(duì)出現(xiàn)飛輪失效故障的微小衛(wèi)星姿控系統(tǒng)進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提故障重構(gòu)方法的有效性。針對(duì)微小衛(wèi)星慣性陀螺故障重構(gòu)問(wèn)題,提出了兩種增廣LO設(shè)計(jì):增廣P型LO和增廣PD型LO。設(shè)計(jì)一種適當(dāng)輸出濾波器,將敏感器故障系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袌?zhí)行機(jī)構(gòu)故障形式的增廣系統(tǒng)模型。針對(duì)該增廣模型,設(shè)計(jì)了增廣P型LO重構(gòu)敏感器故障。針對(duì)現(xiàn)有P型LO的故障約束條件并不具有明確物理意義以至于無(wú)法確定其所適用的敏感器故障時(shí)變特性,以及為了敏感器故障快速重構(gòu)的需要,提出一種增廣PD型LO設(shè)計(jì)�；贚MI技術(shù)提供了一種系統(tǒng)化PD型LO設(shè)計(jì)方法�？紤]干擾輸入對(duì)敏感器故障重構(gòu)的影響,基于H∞技術(shù),給出一種魯棒增廣PD型LO設(shè)計(jì)。分別將兩種增廣LO設(shè)計(jì)應(yīng)用于微小衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的慣性陀螺故障重構(gòu),仿真驗(yàn)證了其有效性并對(duì)比了其優(yōu)劣。研究了基于連續(xù)學(xué)習(xí)未知輸入觀(guān)測(cè)器(LUIO)的微小衛(wèi)星推力器魯棒故障重構(gòu)問(wèn)題。首先,提出了一種基于UIO的執(zhí)行機(jī)構(gòu)魯棒FDI方法,并給出了魯棒UIO設(shè)計(jì)和魯棒FDI條件�；诂F(xiàn)有P型LO設(shè)計(jì),研究了基于P型LO的執(zhí)行機(jī)構(gòu)加性故障重構(gòu)問(wèn)題�；谒酻IO和P型LO,提出了一種連續(xù)LUIO實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)魯棒故障重構(gòu)�？紤]執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障和干擾輸入解耦,給出了所提LUIO的穩(wěn)定性條件和存在條件。針對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障和干擾輸入耦合以及系統(tǒng)出現(xiàn)測(cè)量噪聲的情況,設(shè)計(jì)LUIO解耦部分干擾輸入,并抑制未解耦干擾輸入和測(cè)量噪聲對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障重構(gòu)的影響。分別將所提兩種LO設(shè)計(jì)應(yīng)用于微小衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的推力器故障重構(gòu),仿真驗(yàn)證了其有效性并給出了兩種方法的仿真對(duì)比。提出了一種基于離散LUIO的微小衛(wèi)星推力器魯棒故障重構(gòu)方法。針對(duì)連續(xù)系統(tǒng)的歐拉近似離散模型,提出了一種歐拉近似UIO設(shè)計(jì)并給出其魯棒穩(wěn)定性分析�；谒犭x散UIO和連續(xù)LUIO,提出了一種歐拉近似LUIO實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)魯棒故障重構(gòu)�？紤]執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障和干擾輸入耦合以及系統(tǒng)出現(xiàn)測(cè)量噪聲的情況,基于UIO的干擾解耦思想,設(shè)計(jì)LUIO矩陣解耦部分干擾輸入,后利用H∞技術(shù)設(shè)計(jì)剩余觀(guān)測(cè)器矩陣使得離散LUIO對(duì)未解耦干擾輸入和測(cè)量噪聲具有魯棒性。為了保證歐拉近似LUIO運(yùn)行于精確系統(tǒng)模型,研究了其滿(mǎn)足半全局實(shí)際收斂性質(zhì)的條件。將基于離散LUIO的方法應(yīng)用于微小衛(wèi)星姿控系統(tǒng)推力器故障的魯棒重構(gòu),仿真驗(yàn)證了所提方法的有效性。
【關(guān)鍵詞】：故障重構(gòu) 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng) 學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器 未知輸入觀(guān)測(cè)器
【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】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：V448.22
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-17
• 第1章 緒論17-34
• 1.1 課題來(lái)源、研究目的及意義17-19
• 1.1.1 課題來(lái)源17
• 1.1.2 課題研究目的和意義17-19
• 1.2 故障診斷研究現(xiàn)狀與分析19-23
• 1.2.1 故障術(shù)語(yǔ)19-20
• 1.2.2 故障診斷研究概述20-22
• 1.2.3 基于模型的故障診斷研究現(xiàn)狀22-23
• 1.3 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)故障分析23-25
• 1.4 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)故障重構(gòu)研究現(xiàn)狀與分析25-31
• 1.4.1 基于觀(guān)測(cè)器的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障重構(gòu)25-30
• 1.4.2 基于濾波器的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障重構(gòu)30
• 1.4.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障重構(gòu)30-31
• 1.5 論文主要內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu)31-34
• 第2章 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)建模和故障分析34-53
• 2.1 引言34
• 2.2 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)建模34-39
• 2.2.1 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)概述34-35
• 2.2.2 衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)35-38
• 2.2.3 衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)38-39
• 2.3 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)故障建模39-47
• 2.3.1 故障描述39-41
• 2.3.2 反作用飛輪故障建模41-44
• 2.3.3 推力器故障建模44-45
• 2.3.4 慣性陀螺故障建模45-47
• 2.4 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真分析47-52
• 2.4.1 微小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)建模47-49
• 2.4.2 仿真參數(shù)49-50
• 2.4.3 仿真結(jié)果50-52
• 2.5 本章小結(jié)52-53
• 第3章 基于學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器的衛(wèi)星飛輪失效故障重構(gòu)53-71
• 3.1 引言53
• 3.2 問(wèn)題描述53-54
• 3.3 基于P型學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)失效故障重構(gòu)54-57
• 3.3.1 P型學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器設(shè)計(jì)54-55
• 3.3.2 穩(wěn)定性分析55-57
• 3.4 基于改進(jìn)P型學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)失效故障重構(gòu)57-63
• 3.4.1 改進(jìn)P型學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器設(shè)計(jì)57-58
• 3.4.2 穩(wěn)定性分析58-61
• 3.4.3 存在條件分析61-62
• 3.4.4 魯棒P型學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器設(shè)計(jì)62-63
• 3.5 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)故障仿真63-70
• 3.5.1 P型LO增益矩陣設(shè)計(jì)64-65
• 3.5.2 衛(wèi)星飛輪故障仿真分析65-70
• 3.6 本章小結(jié)70-71
• 第4章 基于增廣學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器的衛(wèi)星陀螺故障重構(gòu)71-91
• 4.1 引言71
• 4.2 問(wèn)題描述71-72
• 4.3 基于增廣P型學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器的敏感器故障重構(gòu)72-75
• 4.3.1 增廣P型學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器設(shè)計(jì)72-73
• 4.3.2 穩(wěn)定性分析73-75
• 4.3.3 魯棒增廣P型學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器設(shè)計(jì)75
• 4.4 基于增廣PD型學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器的敏感器故障快速重構(gòu)75-81
• 4.4.1 增廣PD型學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器設(shè)計(jì)75-76
• 4.4.2 穩(wěn)定性分析76-79
• 4.4.3 魯棒增廣PD型學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器設(shè)計(jì)79-81
• 4.5 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)故障仿真81-89
• 4.5.1 基于增廣P型LO的陀螺故障重構(gòu)仿真82-85
• 4.5.2 基于增廣PD型LO的陀螺故障重構(gòu)仿真85-89
• 4.6 本章小結(jié)89-91
• 第5章 基于學(xué)習(xí)未知輸入觀(guān)測(cè)器的衛(wèi)星推力器故障重構(gòu)91-121
• 5.1 引言91-92
• 5.2 基于未知輸入觀(guān)測(cè)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)魯棒故障檢測(cè)與分離92-96
• 5.2.1 未知輸入觀(guān)測(cè)器設(shè)計(jì)92-95
• 5.2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)魯棒故障檢測(cè)與分離95-96
• 5.3 基于P型學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障重構(gòu)96-99
• 5.3.1 P型學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器設(shè)計(jì)96-97
• 5.3.2 穩(wěn)定性分析97-99
• 5.4 基于學(xué)習(xí)未知輸入觀(guān)測(cè)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)魯棒故障重構(gòu)99-107
• 5.4.1 學(xué)習(xí)未知輸入觀(guān)測(cè)器設(shè)計(jì)99-100
• 5.4.2 穩(wěn)定性分析100-101
• 5.4.3 存在條件分析101-102
• 5.4.4 魯棒學(xué)習(xí)未知輸入觀(guān)測(cè)器設(shè)計(jì)102-107
• 5.5 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)故障仿真107-120
• 5.5.1 基于P型學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器的推力器故障重構(gòu)仿真109-112
• 5.5.2 基于學(xué)習(xí)未知輸入觀(guān)測(cè)器的推力器故障重構(gòu)仿真112-120
• 5.6 本章小結(jié)120-121
• 第6章 基于離散學(xué)習(xí)未知輸入觀(guān)測(cè)器的衛(wèi)星推力器故障重構(gòu)121-145
• 6.1 引言121-122
• 6.2 離散未知輸入觀(guān)測(cè)器設(shè)計(jì)122-124
• 6.2.1 歐拉近似未知輸入觀(guān)測(cè)器設(shè)計(jì)122
• 6.2.2 穩(wěn)定性分析122-124
• 6.3 基于離散學(xué)習(xí)未知輸入觀(guān)測(cè)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)魯棒故障重構(gòu)124-137
• 6.3.1 歐拉近似學(xué)習(xí)未知輸入觀(guān)測(cè)器設(shè)計(jì)124-125
• 6.3.2 穩(wěn)定性分析125-127
• 6.3.3 魯棒歐拉近似學(xué)習(xí)未知輸入觀(guān)測(cè)器設(shè)計(jì)127-135
• 6.3.4 半全局實(shí)際收斂性分析135-137
• 6.4 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)故障仿真137-144
• 6.5 本章小結(jié)144-145
• 結(jié)論145-148
• 參考文獻(xiàn)148-161
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果161-163
• 致謝163-164
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷164

，

本文編號(hào)：722360