基于控制分配的航天器姿态容错控制

发布时间：2017-08-30 05:29

  本文关键词：基于控制分配的航天器姿态容错控制

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【摘要】：高精度、高稳定度、具有自主性的航天器姿态控制技术,是航天器完成在轨任务的核心,然而,由于航天器姿态跟踪系统的模型非线性、外部干扰、执行器饱和以及响应速率等约束,再加上航天器长时间工作在恶劣的太空环境中,不可避免地导致执行器发生部分失效故障,上述约束以及故障均会导致航天器姿态控制性能显著下降,甚至在轨任务的失败。本文正是在上述课题背景下,开展了基于在线控制分配的航天器姿态容错控制系统的研究,主要内容包括:本文首先在航天器姿态控制系统国内外研究现状基础上,提出了研究目的和意义,并建立了航天器姿态跟踪以及约束条件下控制目标的数学描述,为控制系统设计奠定基础。为了准确估计执行器部分失效故障,本文通过引入一阶回归滤波器,得到执行器失效因子真实值的代替项,基于此信息设计了执行器部分失效因子观测器,并在一阶回归滤波器形式上,进一步设计了主动容错控制器。然后,考虑故障观测器的估计误差,证明了闭环系统可以实现故障估计以及姿态跟踪误差在Lyapunov意义下的渐近稳定性。针对含有冗余执行器的航天器姿态跟踪控制系统,本文首先将故障观测器得到的执行器部分失效因子估计矩阵的逆作为权值矩阵,改进了开环伪逆控制技术,并进一步考虑执行器饱和以及响应速率约束,设计了基于向量二次最优规划的开环动态控制分配方案。考虑到执行器安装矩阵偏差会导致开环控制分配方案产生的执行器实际力矩与控制器期望力矩误差,本文设计了闭环控制分配的系统结构,并给出了闭环控制分配系统稳定的一个充分条件。将基于故障观测器的航天器姿态跟踪主动容错控制器作为标称控制,结合在线闭环控制分配方案,本文进行了大量的数值对比仿真,验证了所设计算法的有效性及优越性。
【关键词】：航天器姿态控制 执行器部分失效 主动容错控制 在线控制分配
【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】：V448.2
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 第1章 绪论7-17
• 1.1 课题背景7-8
• 1.1.1 课题来源7
• 1.1.2 课题研究目的和意义7-8
• 1.2 航天器姿态控制方法研究现状8-10
• 1.2.1 早期控制策略9
• 1.2.2 自适应控制9-10
• 1.2.3 变结构控制10
• 1.2.4 其他控制方法10
• 1.3 航天器姿态容错控制现状分析10-15
• 1.3.1 故障分析11-12
• 1.3.2 容错控制现状12-14
• 1.3.3 控制分配简述14-15
• 1.4 本文的主要内容及章节安排15-17
• 第2章 航天器姿态运动模型及预备知识17-25
• 2.1 引言17
• 2.2 参考坐标系17-18
• 2.3 航天器姿态运动模型18-20
• 2.4 控制问题描述20-22
• 2.4.1 标称系统控制目标20-21
• 2.4.2 含冗余执行器系统控制分配目标21-22
• 2.5 预备知识22-24
• 2.6 本章小结24-25
• 第3章 考虑执行器部分失效的姿态跟踪容错控制25-43
• 3.1 引言25-26
• 3.2 执行器部分失效故障观测器26-29
• 3.2.1 一阶回归滤波器26-27
• 3.2.2 故障观测器27-29
• 3.3 航天器姿态跟踪主动容错控制器29-33
• 3.3.1 不考虑外部干扰的主动容错控制器29-31
• 3.3.2 外部干扰抑制鲁棒性验证31-33
• 3.4 对比数值仿真验证33-42
• 3.5 本章小结42-43
• 第4章 基于在线控制分配的姿态跟踪容错控制43-56
• 4.1 引言43-45
• 4.2 开环控制分配方案45-48
• 4.2.1 考虑执行器部分失效的伪逆控制分配方案45-46
• 4.2.2 考虑执行器部分失效及约束的动态控制分配方案46-48
• 4.3 闭环控制分配方案48-50
• 4.4 仿真验证50-55
• 4.5 本章小结55-56
• 结论56-58
• 参考文献58-66
• 致谢66

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本文编号：757512