發(fā)布時間：2021-02-19 05:23

　　隨著人類航天活動的不斷增加,在軌航天器的數(shù)量日益增多,航天器的健康狀態(tài)也越來越受到國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注。航天器故障診斷技術(shù)的發(fā)展對于航天任務(wù)的順利完成起著至關(guān)重要的作用。本文以航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)為對象,基于滑模觀測器方法,結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)、終端滑模等技術(shù),研究航姿系統(tǒng)中的執(zhí)行器故障與傳感器故障的重構(gòu)問題。針對航姿系統(tǒng)的執(zhí)行器故障重構(gòu)問題,基于航姿系統(tǒng)線性和非線性模型,分別設(shè)計BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)滑模觀測器（BPASMO）和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)滑模觀測器（RBFASMO）故障重構(gòu)方案。首先,基于執(zhí)行器故障航姿系統(tǒng)線性模型,設(shè)計BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)滑模觀測器來克服模型參數(shù)不確定、外界干擾及執(zhí)行器故障上界未知的影響,實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)估計誤差的漸近收斂,并基于所設(shè)計滑模觀測器重構(gòu)系統(tǒng)執(zhí)行器故障;其次,基于執(zhí)行器故障航姿系統(tǒng)非線性模型,考慮系統(tǒng)中偏航軸信息不完全可測的工況,設(shè)計坐標(biāo)變換矩陣,將系統(tǒng)模型分為兩個子系統(tǒng),使得系統(tǒng)未知輸入與故障僅包含于輸出子系統(tǒng)中;然后,設(shè)計RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)滑模觀測器,并利用“等效輸出注入”方法實現(xiàn)系統(tǒng)中上界未知執(zhí)行器故障的重構(gòu);最后,通過仿真驗證所設(shè)計方案的有效性。... 

【文章來源】：中國石油大學(xué)(華東)山東省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：78 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

航天器各分系統(tǒng)故障所占比例Fig1-1Thefaultpropositionofeachspacecraftsubsystem針對航天器中存在的各種故障，對近半個世紀(jì)以來世界各國所發(fā)布的處在運行狀態(tài)6%

動力作用、高溫、低溫、電磁干擾以及流星體撞擊等多方面環(huán)境因素造成的姿控回路故障占比10.45%；由于航姿系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)造缺陷所引起的姿控回路故障所占比例最高，達到了70.15%[1]�？梢园l(fā)現(xiàn)，航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造故障是誘發(fā)整個航姿系統(tǒng)故障的主要原因。航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造主要包括：姿軌控制器、執(zhí)行器以及姿態(tài)傳感器（敏感器）[9]。根據(jù)航姿控制回路中故障發(fā)生的位置，可以將航姿系統(tǒng)的故障類型概括為三類：姿態(tài)控制系統(tǒng)故障、執(zhí)行器故障和傳感器故障。根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，航姿系統(tǒng)中各故障比例分布如圖1-2所示[10]。分析圖1-2發(fā)現(xiàn)：在航姿控制系統(tǒng)當(dāng)中，姿態(tài)控制器故障占比37%，較容易發(fā)生故障，但因為主控制器發(fā)生故障時可以切換到備份系統(tǒng)，因此它航天器帶來危害機率并不高。執(zhí)行器故障占比高達30%，它是指發(fā)生在系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)或器件中的故障，通常對航天器的影響是致命的。在航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中，飛輪（包括動量輪與反作用輪）是航圖1-2航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)各部分故障比例Fig1-2Thefaultpropositionofallpartsofspacecraftattitudecontrolsystem天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中非常重要的執(zhí)行器，并帶有轉(zhuǎn)動部件。由于航天器運行環(huán)境非常惡劣，航天器的三軸穩(wěn)定性時常會受到干擾，飛輪就需要持續(xù)進行機械運動以使得航天器保持其穩(wěn)定狀態(tài)。由于長期處在運行狀態(tài)，飛輪往往會由于器件軸間摩擦等因素而使其性能退化，進而引起航姿系統(tǒng)故障。傳感器故障所占的比例為23.4%，它是出現(xiàn)于航姿控制回路內(nèi)測量機構(gòu)的故障，其故障具體體現(xiàn)為所測得的狀態(tài)值與系統(tǒng)真實輸出值之間不一致[10]。用于測量姿態(tài)角信息的陀螺儀和獲取姿態(tài)角速率信息的星敏感器是航姿系統(tǒng)中常用的傳感器。一般地，陀螺儀以捷連方式固連于航天器上，其故障可導(dǎo)致航天

第2章航天器模型描述及預(yù)備知識10第2章航天器模型描述及預(yù)備知識2.1航天器模型基礎(chǔ)航天器的姿態(tài)控制問題包括姿態(tài)控制和姿態(tài)確定兩部分[64]。其中，姿態(tài)確定研究的問題是航天器相對于某個基準(zhǔn)的確定姿態(tài)的方法，其精度與所采用的數(shù)據(jù)處理的方法和航天器敏感器所具備的精度直接相關(guān)；而姿態(tài)控制研究的問題則是在規(guī)定方向或參考方向上定向的過程，它主要包括使航天器姿態(tài)保持在指定方向的姿態(tài)穩(wěn)定問題和使航天器由一個姿態(tài)運行至另一個姿態(tài)時再定向的姿態(tài)機動問題。本文中，主要研究航天器姿態(tài)控制中的故障重構(gòu)問題。2.1.1航天器姿態(tài)描述坐標(biāo)系航天器的姿態(tài)是指航天器相對于空間某參考坐標(biāo)系的方位指向[65]。姿態(tài)的描述都是在相應(yīng)坐標(biāo)系基礎(chǔ)上進行的，因此，為了便于對航天器的姿態(tài)運動進行描述，我們首先定義相關(guān)坐標(biāo)系（如圖2-1）如下：軌道地球圖2-1三軸坐標(biāo)關(guān)系示意圖圖2-23-1-2歐拉角轉(zhuǎn)動順序Fig2-1TherelationshipdiagramofcoordinateaxesFig2-2Euler"srotationorder(1)地心慣性坐標(biāo)系OXYZ：將地球的中心點O選為坐標(biāo)系的原點，OZ軸垂直于赤道平面指向北極，OX軸垂直于OZ軸指向春分點，OY軸的方向按照右手螺旋定則確定。(2)軌道坐標(biāo)系OOOSXYZ：將航天器本體的質(zhì)心點S選為坐標(biāo)系的原點，OSZ軸指向地心，0SX軸垂直于0SZ且相切于軌道所在平面，方向與航天器運行速度一致，OSY軸方向按右手螺旋定則確定。這里要特別指出，OOOSXYZ在空間中是旋轉(zhuǎn)的。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]國內(nèi)航天器故障診斷技術(shù)應(yīng)用狀況分析與展望[J]. 張威,魏炳翌,聞新.  航空兵器. 2017(04)
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[3]匹配條件不滿足時線性系統(tǒng)未知輸入觀測器設(shè)計[J]. 張建成,朱芳來.  控制理論與應(yīng)用. 2017(04)
[4]航天器故障診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進展[J]. 王嘉軼,聞新.  航空兵器. 2016(05)
[5]基于魯棒自適應(yīng)滑模觀測器的多故障重構(gòu)[J]. 劉聰,李穎暉,吳辰,袁國強.  控制與決策. 2016(07)
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[9]基于自適應(yīng)滑模觀測器的不匹配非線性系統(tǒng)執(zhí)行器故障重構(gòu)[J]. 劉聰,李穎暉,朱喜華,劉培培.  控制理論與應(yīng)用. 2014(04)
[10]Lipschitz非線性系統(tǒng)未知輸入觀測器設(shè)計[J]. 楊俊起,張良,朱芳來,張登輝.  西安交通大學(xué)學(xué)報. 2013(08)

博士論文
[1]基于滑模的航天器執(zhí)行機構(gòu)故障診斷與容錯控制研究[D]. 閆鑫.哈爾濱工程大學(xué) 2012
[2]基于滑模觀測器的故障重構(gòu)方法研究[D]. 于金泳.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2010

碩士論文
[1]基于滑模觀測器的非線性系統(tǒng)故障重構(gòu)方法的研究[D]. 儲后廣.湖南工業(yè)大學(xué) 2015
[2]航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)故障診斷與容錯控制技術(shù)研究[D]. 冉德超.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2013
[3]衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)故障診斷方法研究[D]. 王振華.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2010
[4]衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的故障診斷研究[D]. 王劍非.南京航空航天大學(xué) 2008
[5]基于滑模觀測器的故障診斷技術(shù)及其在飛控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D]. 劉京津.南京航空航天大學(xué) 2008



本文編號：3040660