執(zhí)行器故障情況下的航天器姿態(tài)容錯控制方法研究.pdf

1、在過去的25年中，有超過4000顆衛(wèi)星在世界各地發(fā)射升空，衛(wèi)星已經(jīng)成為了世界各國進行空間通訊、地球觀測等技術(shù)的主要手段。盡管衛(wèi)星在設(shè)計制造的過程中都會采用最新的技術(shù)并進行大量的測試，然而，空間環(huán)境非常惡劣，每一次空間任務(wù)都是一次巨大的挑戰(zhàn)，還是有許多衛(wèi)星未能完成計劃任務(wù)就停止服務(wù)，并最終導(dǎo)致任務(wù)失敗。加拿大航天局的一份報告表明，在衛(wèi)星的所有分系統(tǒng)中，發(fā)生故障的概率最高的分系統(tǒng)是姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)，超過了30％。而其中由執(zhí)行器故障所引發(fā)失敗

2、的案例更是超過了50%。因此，研究衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)面對執(zhí)行器故障時的容錯控制方法是具有重要的工程意義的。本論文依據(jù)傳統(tǒng)衛(wèi)星的設(shè)計方法，即假設(shè)衛(wèi)星為一次性使用且不可維修升級的條件下，從理論和應(yīng)用兩方面對具有執(zhí)行器故障的衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)容錯控制問題進行深入的研究。
　　目前工程上應(yīng)用的控制方案，針對衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中執(zhí)行器出現(xiàn)故障的情況缺乏完成度良好的故障主動解決方案。而在設(shè)計自主姿態(tài)容錯控制系統(tǒng)時衛(wèi)星系統(tǒng)的非線性姿態(tài)動力學(xué)模型建模、快速

3、響應(yīng)能力、執(zhí)行器輸出力矩飽和以及執(zhí)行器故障不確定性都是控制方案設(shè)計的難點。本文將重點針對這些難點為衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計容錯控制方案，保證系統(tǒng)任務(wù)的完成。本文所提出的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)容錯控制方案的有效性通過兩種方式驗證：一是通過Lyapunov穩(wěn)定性理論分析證明其閉環(huán)系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性；二是通過數(shù)值仿真驗證該控制方法的控制性能，以及其有效性和可行性。
　　考慮衛(wèi)星的執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生部分失效乘性故障的情況下，設(shè)計反步控制方案。首先，以無故障

4、衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)為模型，基于Lyapunov方程得到一種全局穩(wěn)定的容錯控制方案；然后，探討不同的Lyapunov函數(shù)組成部分的定義與相關(guān)控制律的關(guān)系，并提出一種基于四元數(shù)分段的幾何方法來確定Lyapunov函數(shù)勢能部分的方法，得到的Lyapunov方程的誤差函數(shù)與誤差空間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對應(yīng)；在此基礎(chǔ)上，針對存在部分失效乘性故障的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)模型的穩(wěn)定性進行分析；最后，通過與目前工程應(yīng)用較廣泛的姿態(tài)控制方法進行仿真對比，確定此反步控制方

5、案能夠在衛(wèi)星受到常值型故障和時變型故障的情況下均具備更好的響應(yīng)速度和容錯能力。
　　針對執(zhí)行器發(fā)生乘性故障（部分失效與完全失效）的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)，提出了一種基于全局型滑?？刂评碚摰淖赃m應(yīng)滑模容錯跟蹤控制策略。首先給出衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤的數(shù)學(xué)模型；在衛(wèi)星系統(tǒng)模型執(zhí)行器不冗余情況下，考慮部分失效故障的發(fā)生，基于變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計原理，設(shè)計滑模面，并考慮飛輪力矩受限的情況，設(shè)計相應(yīng)的容錯控制方案；然后將該方法擴展到衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行器冗余的情

6、況，考慮執(zhí)行器中的一個或一些發(fā)生完全失效故障的情況；最后，通過數(shù)值仿真驗證了該方法的有效性和可行性。
　　最后，本文考慮了當(dāng)衛(wèi)星的執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生混合性故障（乘性故障和加性故障）時，基于參考模型的理論，提出一種自適應(yīng)容錯控制方法。建立一個非線性的理想衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)模型，不同于一般的控制方法中姿態(tài)參數(shù)追蹤一個常值或給定的姿態(tài)曲線，該控制方法中通過實際星體系統(tǒng)中的角速度和四元數(shù)參數(shù)追蹤理想模型中的角速度和四元數(shù)參數(shù)來確定姿態(tài)。這樣，當(dāng)執(zhí)