基于滑模观测器的航姿系统故障重构
发布时间：2021-02-19 05:23
随着人类航天活动的不断增加,在轨航天器的数量日益增多,航天器的健康状态也越来越受到国内外专家学者的关注。航天器故障诊断技术的发展对于航天任务的顺利完成起着至关重要的作用。本文以航天器姿态控制系统为对象,基于滑模观测器方法,结合神经网络、自适应、终端滑模等技术,研究航姿系统中的执行器故障与传感器故障的重构问题。针对航姿系统的执行器故障重构问题,基于航姿系统线性和非线性模型,分别设计BP神经网络自适应滑模观测器（BPASMO）和RBF神经网络自适应滑模观测器（RBFASMO）故障重构方案。首先,基于执行器故障航姿系统线性模型,设计BP神经网络自适应滑模观测器来克服模型参数不确定、外界干扰及执行器故障上界未知的影响,实现系统状态估计误差的渐近收敛,并基于所设计滑模观测器重构系统执行器故障;其次,基于执行器故障航姿系统非线性模型,考虑系统中偏航轴信息不完全可测的工况,设计坐标变换矩阵,将系统模型分为两个子系统,使得系统未知输入与故障仅包含于输出子系统中;然后,设计RBF神经网络自适应滑模观测器,并利用“等效输出注入”方法实现系统中上界未知执行器故障的重构;最后,通过仿真验证所设计方案的有效性。...
【文章来源】：中国石油大学(华东)山东省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
航天器各分系统故障所占比例Fig1-1Thefaultpropositionofeachspacecraftsubsystem针对航天器中存在的各种故障，对近半个世纪以来世界各国所发布的处在运行状态6%
动力作用、高温、低温、电磁干扰以及流星体撞击等多方面环境因素造成的姿控回路故障占比10.45%；由于航姿系统内部构造缺陷所引起的姿控回路故障所占比例最高，达到了70.15%[1]。可以发现，航天器姿态控制系统的内部构造故障是诱发整个航姿系统故障的主要原因。航天器姿态控制系统的内部构造主要包括：姿轨控制器、执行器以及姿态传感器（敏感器）[9]。根据航姿控制回路中故障发生的位置，可以将航姿系统的故障类型概括为三类：姿态控制系统故障、执行器故障和传感器故障。根据相关资料统计，航姿系统中各故障比例分布如图1-2所示[10]。分析图1-2发现：在航姿控制系统当中，姿态控制器故障占比37%，较容易发生故障，但因为主控制器发生故障时可以切换到备份系统，因此它航天器带来危害机率并不高。执行器故障占比高达30%，它是指发生在系统执行机构或器件中的故障，通常对航天器的影响是致命的。在航天器姿态控制系统中，飞轮（包括动量轮与反作用轮）是航图1-2航天器姿态控制系统各部分故障比例Fig1-2Thefaultpropositionofallpartsofspacecraftattitudecontrolsystem天器姿态控制系统中非常重要的执行器，并带有转动部件。由于航天器运行环境非常恶劣，航天器的三轴稳定性时常会受到干扰，飞轮就需要持续进行机械运动以使得航天器保持其稳定状态。由于长期处在运行状态，飞轮往往会由于器件轴间摩擦等因素而使其性能退化，进而引起航姿系统故障。传感器故障所占的比例为23.4%，它是出现于航姿控制回路内测量机构的故障，其故障具体体现为所测得的状态值与系统真实输出值之间不一致[10]。用于测量姿态角信息的陀螺仪和获取姿态角速率信息的星敏感器是航姿系统中常用的传感器。一般地，陀螺仪以捷连方式固连于航天器上，其故障可导致航天
第2章航天器模型描述及预备知识10第2章航天器模型描述及预备知识2.1航天器模型基础航天器的姿态控制问题包括姿态控制和姿态确定两部分[64]。其中，姿态确定研究的问题是航天器相对于某个基准的确定姿态的方法，其精度与所采用的数据处理的方法和航天器敏感器所具备的精度直接相关；而姿态控制研究的问题则是在规定方向或参考方向上定向的过程，它主要包括使航天器姿态保持在指定方向的姿态稳定问题和使航天器由一个姿态运行至另一个姿态时再定向的姿态机动问题。本文中，主要研究航天器姿态控制中的故障重构问题。2.1.1航天器姿态描述坐标系航天器的姿态是指航天器相对于空间某参考坐标系的方位指向[65]。姿态的描述都是在相应坐标系基础上进行的，因此，为了便于对航天器的姿态运动进行描述，我们首先定义相关坐标系（如图2-1）如下：轨道地球图2-1三轴坐标关系示意图图2-23-1-2欧拉角转动顺序Fig2-1TherelationshipdiagramofcoordinateaxesFig2-2Euler"srotationorder(1)地心惯性坐标系OXYZ：将地球的中心点O选为坐标系的原点，OZ轴垂直于赤道平面指向北极，OX轴垂直于OZ轴指向春分点，OY轴的方向按照右手螺旋定则确定。(2)轨道坐标系OOOSXYZ：将航天器本体的质心点S选为坐标系的原点，OSZ轴指向地心，0SX轴垂直于0SZ且相切于轨道所在平面，方向与航天器运行速度一致，OSY轴方向按右手螺旋定则确定。这里要特别指出，OOOSXYZ在空间中是旋转的。
【参考文献】：
期刊论文
[1]国内航天器故障诊断技术应用状况分析与展望[J]. 张威,魏炳翌,闻新. 航空兵器. 2017(04)
[2]自适应广义滑模观测器之状态估计和故障重构[J]. 穆凌霞,余翔,李平,王新民. 控制理论与应用. 2017(04)
[3]匹配条件不满足时线性系统未知输入观测器设计[J]. 张建成,朱芳来. 控制理论与应用. 2017(04)
[4]航天器故障诊断技术的研究现状与进展[J]. 王嘉轶,闻新. 航空兵器. 2016(05)
[5]基于鲁棒自适应滑模观测器的多故障重构[J]. 刘聪,李颖晖,吴辰,袁国强. 控制与决策. 2016(07)
[6]卫星姿态控制系统故障重构观测器设计[J]. 贾庆贤,张迎春,陈雪芹,李化义. 宇航学报. 2016(04)
[7]采用高阶终端滑模观测器的执行器未知故障重构[J]. 刘聪,李颖晖,刘勇智,王海涛,吴辰. 西安交通大学学报. 2015(09)
[8]国外航天器在轨故障模式统计与分析[J]. 闻新,张兴旺,秦钰琦,李新,张文浩. 质量与可靠性. 2014(06)
[9]基于自适应滑模观测器的不匹配非线性系统执行器故障重构[J]. 刘聪,李颖晖,朱喜华,刘培培. 控制理论与应用. 2014(04)
[10]Lipschitz非线性系统未知输入观测器设计[J]. 杨俊起,张良,朱芳来,张登辉. 西安交通大学学报. 2013(08)
博士论文
[1]基于滑模的航天器执行机构故障诊断与容错控制研究[D]. 闫鑫.哈尔滨工程大学 2012
[2]基于滑模观测器的故障重构方法研究[D]. 于金泳.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]基于滑模观测器的非线性系统故障重构方法的研究[D]. 储后广.湖南工业大学 2015
[2]航天器姿态控制系统故障诊断与容错控制技术研究[D]. 冉德超.国防科学技术大学 2013
[3]卫星姿态控制系统故障诊断方法研究[D]. 王振华.哈尔滨工业大学 2010
[4]卫星姿态控制系统的故障诊断研究[D]. 王剑非.南京航空航天大学 2008
[5]基于滑模观测器的故障诊断技术及其在飞控系统中的应用研究[D]. 刘京津.南京航空航天大学 2008
本文编号：3040660
【文章来源】：中国石油大学(华东)山东省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
航天器各分系统故障所占比例Fig1-1Thefaultpropositionofeachspacecraftsubsystem针对航天器中存在的各种故障，对近半个世纪以来世界各国所发布的处在运行状态6%
动力作用、高温、低温、电磁干扰以及流星体撞击等多方面环境因素造成的姿控回路故障占比10.45%；由于航姿系统内部构造缺陷所引起的姿控回路故障所占比例最高，达到了70.15%[1]。可以发现，航天器姿态控制系统的内部构造故障是诱发整个航姿系统故障的主要原因。航天器姿态控制系统的内部构造主要包括：姿轨控制器、执行器以及姿态传感器（敏感器）[9]。根据航姿控制回路中故障发生的位置，可以将航姿系统的故障类型概括为三类：姿态控制系统故障、执行器故障和传感器故障。根据相关资料统计，航姿系统中各故障比例分布如图1-2所示[10]。分析图1-2发现：在航姿控制系统当中，姿态控制器故障占比37%，较容易发生故障，但因为主控制器发生故障时可以切换到备份系统，因此它航天器带来危害机率并不高。执行器故障占比高达30%，它是指发生在系统执行机构或器件中的故障，通常对航天器的影响是致命的。在航天器姿态控制系统中，飞轮（包括动量轮与反作用轮）是航图1-2航天器姿态控制系统各部分故障比例Fig1-2Thefaultpropositionofallpartsofspacecraftattitudecontrolsystem天器姿态控制系统中非常重要的执行器，并带有转动部件。由于航天器运行环境非常恶劣，航天器的三轴稳定性时常会受到干扰，飞轮就需要持续进行机械运动以使得航天器保持其稳定状态。由于长期处在运行状态，飞轮往往会由于器件轴间摩擦等因素而使其性能退化，进而引起航姿系统故障。传感器故障所占的比例为23.4%，它是出现于航姿控制回路内测量机构的故障，其故障具体体现为所测得的状态值与系统真实输出值之间不一致[10]。用于测量姿态角信息的陀螺仪和获取姿态角速率信息的星敏感器是航姿系统中常用的传感器。一般地，陀螺仪以捷连方式固连于航天器上，其故障可导致航天
第2章航天器模型描述及预备知识10第2章航天器模型描述及预备知识2.1航天器模型基础航天器的姿态控制问题包括姿态控制和姿态确定两部分[64]。其中，姿态确定研究的问题是航天器相对于某个基准的确定姿态的方法，其精度与所采用的数据处理的方法和航天器敏感器所具备的精度直接相关；而姿态控制研究的问题则是在规定方向或参考方向上定向的过程，它主要包括使航天器姿态保持在指定方向的姿态稳定问题和使航天器由一个姿态运行至另一个姿态时再定向的姿态机动问题。本文中，主要研究航天器姿态控制中的故障重构问题。2.1.1航天器姿态描述坐标系航天器的姿态是指航天器相对于空间某参考坐标系的方位指向[65]。姿态的描述都是在相应坐标系基础上进行的，因此，为了便于对航天器的姿态运动进行描述，我们首先定义相关坐标系（如图2-1）如下：轨道地球图2-1三轴坐标关系示意图图2-23-1-2欧拉角转动顺序Fig2-1TherelationshipdiagramofcoordinateaxesFig2-2Euler"srotationorder(1)地心惯性坐标系OXYZ：将地球的中心点O选为坐标系的原点，OZ轴垂直于赤道平面指向北极，OX轴垂直于OZ轴指向春分点，OY轴的方向按照右手螺旋定则确定。(2)轨道坐标系OOOSXYZ：将航天器本体的质心点S选为坐标系的原点，OSZ轴指向地心，0SX轴垂直于0SZ且相切于轨道所在平面，方向与航天器运行速度一致，OSY轴方向按右手螺旋定则确定。这里要特别指出，OOOSXYZ在空间中是旋转的。
【参考文献】：
期刊论文
[1]国内航天器故障诊断技术应用状况分析与展望[J]. 张威,魏炳翌,闻新. 航空兵器. 2017(04)
[2]自适应广义滑模观测器之状态估计和故障重构[J]. 穆凌霞,余翔,李平,王新民. 控制理论与应用. 2017(04)
[3]匹配条件不满足时线性系统未知输入观测器设计[J]. 张建成,朱芳来. 控制理论与应用. 2017(04)
[4]航天器故障诊断技术的研究现状与进展[J]. 王嘉轶,闻新. 航空兵器. 2016(05)
[5]基于鲁棒自适应滑模观测器的多故障重构[J]. 刘聪,李颖晖,吴辰,袁国强. 控制与决策. 2016(07)
[6]卫星姿态控制系统故障重构观测器设计[J]. 贾庆贤,张迎春,陈雪芹,李化义. 宇航学报. 2016(04)
[7]采用高阶终端滑模观测器的执行器未知故障重构[J]. 刘聪,李颖晖,刘勇智,王海涛,吴辰. 西安交通大学学报. 2015(09)
[8]国外航天器在轨故障模式统计与分析[J]. 闻新,张兴旺,秦钰琦,李新,张文浩. 质量与可靠性. 2014(06)
[9]基于自适应滑模观测器的不匹配非线性系统执行器故障重构[J]. 刘聪,李颖晖,朱喜华,刘培培. 控制理论与应用. 2014(04)
[10]Lipschitz非线性系统未知输入观测器设计[J]. 杨俊起,张良,朱芳来,张登辉. 西安交通大学学报. 2013(08)
博士论文
[1]基于滑模的航天器执行机构故障诊断与容错控制研究[D]. 闫鑫.哈尔滨工程大学 2012
[2]基于滑模观测器的故障重构方法研究[D]. 于金泳.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]基于滑模观测器的非线性系统故障重构方法的研究[D]. 储后广.湖南工业大学 2015
[2]航天器姿态控制系统故障诊断与容错控制技术研究[D]. 冉德超.国防科学技术大学 2013
[3]卫星姿态控制系统故障诊断方法研究[D]. 王振华.哈尔滨工业大学 2010
[4]卫星姿态控制系统的故障诊断研究[D]. 王剑非.南京航空航天大学 2008
[5]基于滑模观测器的故障诊断技术及其在飞控系统中的应用研究[D]. 刘京津.南京航空航天大学 2008
本文编号：3040660
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