基于LPV模型的卫星姿控系统故障诊断及容错控制研究

发布时间：2017-10-19 19:35

  本文关键词：基于LPV模型的卫星姿控系统故障诊断及容错控制研究

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【摘要】：随着航天科学的飞速发展,各种各样的卫星发射升空完成相应的任务。太空环境是复杂多变的,卫星在轨运行时难免会受到外界的干扰,而且卫星自身某些部件在长时间的运行中也会不可避免地发生故障。卫星姿控系统是保证卫星稳定运行的关键,发生故障的几率比较高,所以对于卫星姿控系统的故障诊断和容错控制问题显得特别必要。本文应用了基于LPV模型的方法对卫星姿控系统进行了故障诊断和容错控制研究。本文研究的对象是对地定向三轴稳定卫星,首先对姿控系统的建模进行了研究,分析了卫星可能发生故障的部位,其中包括执行机构、惯性敏感器和星敏感器,建立了对应的故障模型,最后进行了仿真分析。简单介绍了线性时变系统的基本理论,将卫星姿态控制系统的数学模型转化成了LPV模型;利用转化后的卫星姿态控制系统LPV模型设计了相应的PD控制器,基于该控制器仿真分析了卫星姿控系统正常运行时的状态,将结果与前文仿真结果进行了比较。利用前文推导出的姿态动力学关系,设计了故障检测观测器,用于检测飞轮故障;根据奉献观测思想,设计了观测器组,解耦了不同轴上的飞轮故障,隔离了飞轮故障,并进行了仿真分析。利用前文推导出的姿态运动学模型,设计了故障检测观测器,用于检测陀螺故障。并且根据自适应观测器的思想,设计了观测器组。对于常值漂移增大这种故障,成功隔离了故障,并且可以估计故障的严重程度,并进行了仿真分析。最后,论文对于卫星姿控系统进行了容错控制研究,利用了基于伪逆法的容错控制方法,针对执行机构(飞轮)发生的空转故障,根据故障检测所得出的信息,进行了故障信息重构,详细推导了附加的控制律,并利用附加的控制律实现了故障信息的补偿,实现了故障调节。通过仿真分析可知,由于控制律的调节,飞轮角速度仍有偏差但偏差已经很小,并且姿态四元数稳定时间更快,说明所设计的控制律对于飞轮空转或者卡死故障有良好的容错效果。
【关键词】：卫星姿控系统 LPV模型 故障诊断 观测器 伪逆法 容错控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V448.22
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 研究背景与意义10-11
• 1.2 研究现状11-14
• 1.2.1 基于模型的故障诊断技术研究现状11
• 1.2.2 线性参数时变系统理论和应用11-12
• 1.2.3 卫星姿态控制系统故障诊断技术12-13
• 1.2.4 容错控制技术研究现状13-14
• 1.3 论文研究内容14-16
• 第2章 卫星姿控系统建模16-31
• 2.1 引言16
• 2.2 卫星姿态控制系统建模16-21
• 2.2.1 运动学建模17-18
• 2.2.2 动力学建模18-19
• 2.2.3 陀螺建模19-20
• 2.2.4 星敏感器建模20
• 2.2.5 反作用飞轮建模20-21
• 2.3 故障部位分析及故障建模21-24
• 2.3.1 故障及其分类21-22
• 2.3.2 飞轮故障及数学表达22
• 2.3.3 陀螺故障及数学表达22-23
• 2.3.4 方向敏感器故障及数学表达23-24
• 2.4 故障仿真24-29
• 2.4.1 卫星正常状态仿真24-26
• 2.4.2 飞轮故障状态仿真26-28
• 2.4.3 陀螺故障状态仿真28-29
• 2.5 本章小结29-31
• 第3章 卫星姿控系统LPV化及仿真31-41
• 3.1 引言31
• 3.2 线性时变系统分析31-33
• 3.2.1 线性时变系统31
• 3.2.2 线性时变系统稳定判定31-33
• 3.3 卫星姿控系统数学模型分析33-38
• 3.3.1 卫星姿控系统的LPV化33-36
• 3.3.2 可控、可观性36-37
• 3.3.3 基于LPV系统的PD控制器设计37-38
• 3.4 基于LPV模型的PD控制无故障仿真38-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第4章 飞轮故障诊断41-56
• 4.1 引言41
• 4.2 飞轮故障检测41-47
• 4.2.1 观测器设计思路41-43
• 4.2.2 故障检测观测器设计43-44
• 4.2.3 仿真分析44-47
• 4.3 故障分离的观测器组设计47-55
• 4.3.1 线性参数时变观测器设计思路47-49
• 4.3.2 故障分离观测器设计49-51
• 4.3.3 仿真结果51-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第5章 惯性敏感器故障检测56-68
• 5.1 引言56
• 5.2 惯性敏感器故障检测56-60
• 5.2.1 观测器设计思路56-57
• 5.2.2 故障检测观测器设计57-58
• 5.2.3 仿真分析58-60
• 5.3 惯性敏感器故障分离的观测器组设计60-67
• 5.3.1 观测器设计思路60-61
• 5.3.2 惯性敏感器观测器设计61-62
• 5.3.3 仿真结果62-67
• 5.4 本章小结67-68
• 第6章 卫星姿控系统容错控制研究68-77
• 6.1 引言68
• 6.2 伪逆法容错68-72
• 6.2.1 伪逆法信息重构69-71
• 6.2.2 伪逆法优化71-72
• 6.3 基于伪逆法的容错控制器设计72-73
• 6.4 仿真分析73-75
• 6.5 本章小结75-77
• 结论77-79
• 参考文献79-85
• 致谢85

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本文编号：1062930