航天器多重故障自适应容错控制技术研究

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由于长时间工作在恶劣的太空环境中,航天器姿态控制系统中的各个部件均有可能发生故障,且故障发生时可能会引起各类灾难性的后果,为了保证各类航天任务的顺利完成,有必要对航天器多重故障容错控制进行研究。本文针对航天器姿态控制系统多重故障容错控制问题进行深入研究,利用自适应方法分别对执行器多重故障,传感器与执行器并发故障进行容错,其主要内容包括:(1)针对刚体航天器执行器多重故障补偿问题,提出了基于自适应多设计融合的故障补偿方法。首先将转动惯量不确定性进行参数化;然后考虑不同执行器完全失控的情况建立了执行器故障模式集合,并基于Backstepping方法对不同的故障模式设计执行器故障补偿控制器;最后利用多设计融合的方法对各个控制信号进行融合,得到最终的控制信号。与现有的针对单一故障的故障补偿不同,该方案着重证明了当系统发生执行器多重故障情况的稳定性证明。(2)针对挠性航天器执行器多重故障补偿问题,提出了基于自适应多设计融合的故障补偿方法。由于无法测量的挠性振动模态会给系统动力学带来很大的不确定性,因此首先将系统中的转动惯量不确定性、挠性振动模态不确定性进行参数化;并利用多设计融合方法对执行器多重故障进行补偿;最后给出了系统发生执行器多重故障情况的系统稳定性证明。(3)针对刚体航天器执行器和传感器并发故障设计了自适应容错控制器。首先将未知的转动惯量和传感器故障一起参数化,随后分别设计观测器对传感器故障进行估计和自适应控制器对执行器故障进行容错,其中通过在自适应律中引入修正项使得估计误差能够最终收敛,并利用滤波器输出对自适应律中的参数回归矩阵进行改造,使其能够满足可积分条件,最后在Lyapunov函数分析中利用动态放缩法消除了矩阵改造的影响。分别将上述提出的航天器姿态控制系统多重故障容错控制方法应用到刚体航天器和挠性航天器模型上进行仿真。结果表明本文设计的自适应容错控制方法可以在航天器姿态控制系统发生多重故障的情况下保证系统稳定性和渐近跟踪性能。
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