基于学习观测器的卫星姿态控制系统故障重构研究

发布时间：2017-08-23 02:09

  本文关键词：基于学习观测器的卫星姿态控制系统故障重构研究

  更多相关文章： 故障重构 卫星姿态控制系统 学习观测器 未知输入观测器

【摘要】：姿态控制系统作为卫星至关重要的分系统,受卫星长期运行于恶劣空间环境的影响,其不可避免的易于发生故障,特别是执行机构和姿态敏感器等部件。对于在轨卫星来说,姿控系统故障轻则导致控制精度降低、闭环姿控系统不稳定,重则卫星寿命缩短、卫星完全失效。为了保证卫星的可靠性和可维护性,卫星姿控系统一般提供了硬件冗余以及简单故障检测与诊断(FDI)功能。然而,为了实现卫星自主故障诊断以及快速精确的故障容错,获得卫星姿控系统故障大小及其变化趋势是十分必要的。目前,针对卫星姿控系统故障重构问题的研究还相对较少。自2001年基于学习观测器(LO)的故障重构方法被提出以来,虽然该课题方向具有一定的研究成果,但其仍存在诸多亟待解决的问题,如鲁棒性问题、敏感器故障重构问题以及系统化LO设计问题等。基于此,本论文对基于LO的故障重构理论及其在微小卫星姿态控制系统中的应用进行了深入研究。本论文的主要工作与研究成果如下:研究了基于P型LO的微小卫星反作用飞轮失效故障重构问题。针对现有基于P型LO的执行机构失效故障重构设计未提供系统化观测器矩阵求解方法且需满足控制输入有界条件,提出了一种改进P型LO设计。所提设计不仅基于线性矩阵不等式(LMI)技术提供了一种系统化P型LO设计方法,而且无需控制输入有界条件。进一步,利用H∞技术设计了鲁棒P型LO抑制干扰输入对执行机构失效故障重构的影响。针对出现飞轮失效故障的微小卫星姿控系统进行仿真,仿真结果验证了所提故障重构方法的有效性。针对微小卫星惯性陀螺故障重构问题,提出了两种增广LO设计:增广P型LO和增广PD型LO。设计一种适当输出滤波器,将敏感器故障系统转变为具有执行机构故障形式的增广系统模型。针对该增广模型,设计了增广P型LO重构敏感器故障。针对现有P型LO的故障约束条件并不具有明确物理意义以至于无法确定其所适用的敏感器故障时变特性,以及为了敏感器故障快速重构的需要,提出一种增广PD型LO设计。基于LMI技术提供了一种系统化PD型LO设计方法。考虑干扰输入对敏感器故障重构的影响,基于H∞技术,给出一种鲁棒增广PD型LO设计。分别将两种增广LO设计应用于微小卫星姿控系统的惯性陀螺故障重构,仿真验证了其有效性并对比了其优劣。研究了基于连续学习未知输入观测器(LUIO)的微小卫星推力器鲁棒故障重构问题。首先,提出了一种基于UIO的执行机构鲁棒FDI方法,并给出了鲁棒UIO设计和鲁棒FDI条件。基于现有P型LO设计,研究了基于P型LO的执行机构加性故障重构问题。基于所提UIO和P型LO,提出了一种连续LUIO实现执行机构鲁棒故障重构。考虑执行机构故障和干扰输入解耦,给出了所提LUIO的稳定性条件和存在条件。针对执行机构故障和干扰输入耦合以及系统出现测量噪声的情况,设计LUIO解耦部分干扰输入,并抑制未解耦干扰输入和测量噪声对执行机构故障重构的影响。分别将所提两种LO设计应用于微小卫星姿控系统的推力器故障重构,仿真验证了其有效性并给出了两种方法的仿真对比。提出了一种基于离散LUIO的微小卫星推力器鲁棒故障重构方法。针对连续系统的欧拉近似离散模型,提出了一种欧拉近似UIO设计并给出其鲁棒稳定性分析。基于所提离散UIO和连续LUIO,提出了一种欧拉近似LUIO实现执行机构鲁棒故障重构。考虑执行机构故障和干扰输入耦合以及系统出现测量噪声的情况,基于UIO的干扰解耦思想,设计LUIO矩阵解耦部分干扰输入,后利用H∞技术设计剩余观测器矩阵使得离散LUIO对未解耦干扰输入和测量噪声具有鲁棒性。为了保证欧拉近似LUIO运行于精确系统模型,研究了其满足半全局实际收敛性质的条件。将基于离散LUIO的方法应用于微小卫星姿控系统推力器故障的鲁棒重构,仿真验证了所提方法的有效性。
【关键词】：故障重构 卫星姿态控制系统 学习观测器 未知输入观测器
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.22
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-17
• 第1章 绪论17-34
• 1.1 课题来源、研究目的及意义17-19
• 1.1.1 课题来源17
• 1.1.2 课题研究目的和意义17-19
• 1.2 故障诊断研究现状与分析19-23
• 1.2.1 故障术语19-20
• 1.2.2 故障诊断研究概述20-22
• 1.2.3 基于模型的故障诊断研究现状22-23
• 1.3 卫星姿态控制系统故障分析23-25
• 1.4 卫星姿态控制系统故障重构研究现状与分析25-31
• 1.4.1 基于观测器的卫星姿控系统故障重构25-30
• 1.4.2 基于滤波器的卫星姿控系统故障重构30
• 1.4.3 基于神经网络的卫星姿控系统故障重构30-31
• 1.5 论文主要内容与组织结构31-34
• 第2章 卫星姿态控制系统建模和故障分析34-53
• 2.1 引言34
• 2.2 卫星姿态控制系统建模34-39
• 2.2.1 卫星姿态控制系统概述34-35
• 2.2.2 卫星姿态运动学35-38
• 2.2.3 卫星姿态动力学38-39
• 2.3 卫星姿态控制系统故障建模39-47
• 2.3.1 故障描述39-41
• 2.3.2 反作用飞轮故障建模41-44
• 2.3.3 推力器故障建模44-45
• 2.3.4 惯性陀螺故障建模45-47
• 2.4 卫星姿态控制系统仿真分析47-52
• 2.4.1 微小卫星姿态控制系统建模47-49
• 2.4.2 仿真参数49-50
• 2.4.3 仿真结果50-52
• 2.5 本章小结52-53
• 第3章 基于学习观测器的卫星飞轮失效故障重构53-71
• 3.1 引言53
• 3.2 问题描述53-54
• 3.3 基于P型学习观测器的执行机构失效故障重构54-57
• 3.3.1 P型学习观测器设计54-55
• 3.3.2 稳定性分析55-57
• 3.4 基于改进P型学习观测器的执行机构失效故障重构57-63
• 3.4.1 改进P型学习观测器设计57-58
• 3.4.2 稳定性分析58-61
• 3.4.3 存在条件分析61-62
• 3.4.4 鲁棒P型学习观测器设计62-63
• 3.5 卫星姿态控制系统故障仿真63-70
• 3.5.1 P型LO增益矩阵设计64-65
• 3.5.2 卫星飞轮故障仿真分析65-70
• 3.6 本章小结70-71
• 第4章 基于增广学习观测器的卫星陀螺故障重构71-91
• 4.1 引言71
• 4.2 问题描述71-72
• 4.3 基于增广P型学习观测器的敏感器故障重构72-75
• 4.3.1 增广P型学习观测器设计72-73
• 4.3.2 稳定性分析73-75
• 4.3.3 鲁棒增广P型学习观测器设计75
• 4.4 基于增广PD型学习观测器的敏感器故障快速重构75-81
• 4.4.1 增广PD型学习观测器设计75-76
• 4.4.2 稳定性分析76-79
• 4.4.3 鲁棒增广PD型学习观测器设计79-81
• 4.5 卫星姿态控制系统故障仿真81-89
• 4.5.1 基于增广P型LO的陀螺故障重构仿真82-85
• 4.5.2 基于增广PD型LO的陀螺故障重构仿真85-89
• 4.6 本章小结89-91
• 第5章 基于学习未知输入观测器的卫星推力器故障重构91-121
• 5.1 引言91-92
• 5.2 基于未知输入观测器的执行机构鲁棒故障检测与分离92-96
• 5.2.1 未知输入观测器设计92-95
• 5.2.2 执行机构鲁棒故障检测与分离95-96
• 5.3 基于P型学习观测器的执行机构故障重构96-99
• 5.3.1 P型学习观测器设计96-97
• 5.3.2 稳定性分析97-99
• 5.4 基于学习未知输入观测器的执行机构鲁棒故障重构99-107
• 5.4.1 学习未知输入观测器设计99-100
• 5.4.2 稳定性分析100-101
• 5.4.3 存在条件分析101-102
• 5.4.4 鲁棒学习未知输入观测器设计102-107
• 5.5 卫星姿态控制系统故障仿真107-120
• 5.5.1 基于P型学习观测器的推力器故障重构仿真109-112
• 5.5.2 基于学习未知输入观测器的推力器故障重构仿真112-120
• 5.6 本章小结120-121
• 第6章 基于离散学习未知输入观测器的卫星推力器故障重构121-145
• 6.1 引言121-122
• 6.2 离散未知输入观测器设计122-124
• 6.2.1 欧拉近似未知输入观测器设计122
• 6.2.2 稳定性分析122-124
• 6.3 基于离散学习未知输入观测器的执行机构鲁棒故障重构124-137
• 6.3.1 欧拉近似学习未知输入观测器设计124-125
• 6.3.2 稳定性分析125-127
• 6.3.3 鲁棒欧拉近似学习未知输入观测器设计127-135
• 6.3.4 半全局实际收敛性分析135-137
• 6.4 卫星姿态控制系统故障仿真137-144
• 6.5 本章小结144-145
• 结论145-148
• 参考文献148-161
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果161-163
• 致谢163-164
• 个人简历164

，

本文编号：722360