CN108762069B - 刚性航天器姿控系统飞轮故障辨识与调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刚性航天器姿控系统飞轮故障辨识与调节方法,解决了航天器姿控系统存在执行器或称反作用飞轮效率损失故障和控制输入饱和情况下的容错控制方案设计难题。针对故障姿态系统设计了滑模故障估计观测器,通过所设计的自适应参数更新算法,获得执行器效率损失故障的估计值。然后,设计出一个采用滑模控制方案的姿态容错控制器,它可以保证执行器效率损伤故障和控制输入饱和都存在情况下的闭环姿态系统渐近稳定。最后仿真验证了本专利的容错方法有效性。本发明可使刚性航天器姿态系统在发生执行器效率损失故障和控制输入饱和的情况下姿态稳定,同时充分考虑了刚性航天器模型的不确定性和外部扰动对其本身造成的影响。
Description
技术领域
本发明所属领域为航空航天飞行控制,具体发明内容为刚性航天器姿态控制系统同时存在执行器效率损失故障和输入饱和的情形下基于故障调节的容错控制新方法。
背景技术
一个稳定的航天器姿态控制系统是保证航天器正常工作的重要条件之一。刚性航天器的动力学存在高度非线性执行器饱和,反作用飞轮摩擦,空间环境干扰,惯性矩阵不确定性甚至执行器故障。由于本身存在的不确定性和外界的干扰,尤其是在姿态系统中执行器发生故障的恶劣情况下,姿态控制精度会下降,甚至导致系统不稳定,从而引发事故。因此,姿态控制器必须具有强鲁棒性以处理这些不确定性和扰动,同时容错能力也是在姿态控制设计中需要考虑的主要问题之一。
为了提高系统的可靠性和安全性,姿态控制器必须要能够有强大的容忍故障能力。现有两种方法来设计容错控制器,它们分别是被动容错控制方法和主动容错控制方法。被动容错方法意味着一个固定的控制器没有故障诊断机制,它的缺点是只能保证故障情况下的闭环系统在事先已知的故障发生下稳定,这会降低被控系统在处理某些系统故障时的动态性能。与被动容错控制方法有所差异,当执行器故障发生时,主动容错控制方法可以做出故障响应,并且会利用已经提前设计好的故障诊断机制,通过故障诊断机制实时提供未知故障的重要信息。然后控制重构模块使用该信息来在线调整控制输入量,这样可以继续保持被控系统的稳定性能。
发明内容
发明目的:本发明的目的在于解决现有刚性航天器姿态控制系统发生执行器效率损失故障和控制输入饱和的问题。
技术方案:为解决上述问题,本发明提出了以下技术方案:一种刚性航天器姿控系统飞轮故障辨识与调节方法,包含以下步骤:
步骤一、建立基于四元数表示的刚性航天器姿态系统运动学模型;
步骤二、建立刚性航天器姿态系统有执行器故障和控制输入饱和的动力学模型;
步骤三、在考虑刚性航天器姿控系统反作用飞轮发生效率损失故障和控制输入饱和的情况下,建立故障估计观测器;
步骤四、根据步骤三所获得的实时故障估计信息,设计自适应滑模容错控制器。
进一步地,所述步骤一中,建立基于四元数表示的刚性航天器姿态系统运动学模型具体如下:
刚性航天器姿态系统的动力学方程表述为如下形式:
其中J∈R3×3表示刚性航天器的惯性矩阵;ΔJ是参数的不确定性;u(t)=[u1u2u3]T∈R3×1表示刚性航天器姿态控制系统反作用飞轮(即执行器)产生的控制力矩;Td表示刚性航天器姿态系统受到的干扰力矩;
经过变化,上述方程可以转换成下面的形式
进一步地,所述步骤二中,刚性航天器姿态系统有执行器故障和控制输入饱和的动力学模型如下:
其中,E=diag{e1 e2 e3}∈R3×3,ei满足0<ei≤1(i=1,2,3);如果ei=1,表示刚性航天器姿态系统执行器无效率损失故障,如果0<ei<1(i=1,2,3),表示刚性航天器姿态系统执行器发生效率损失故障,sat(u)=[sat(u1) sat(u2) sat(u3)]T;并且饱和函数的表达式为:
进一步地,所述步骤三中,建立故障估计观测器具体如下:
由于Esat(u)=Ue;其中U=diag{sat(u1) sat(u2) sat(u3)}且e=[e1 e2 e3]T;
刚性航天器姿态系统的动力学方程可以转化成:
由此,滑模故障估计观测器为:
其中,在航天器姿态系统反作用飞轮(执行器)效率损失故障和控制输入饱和的情况下,存在适当的矩阵Λ,满足条件λmin(Λ)-ε||J-1||≥0;那么所提出的故障估计观测器在执行器饱和的情况下可以提供执行器效率损失故障的精确估计;
由滑模故障估计观测器和刚性航天器姿态动力学方程可推出残差系统为:
进一步地,所述步骤四中,设计自适应滑模容错控制器具体如下:
设计一个滑模面:s=ω+kqv+χ,其中,k为正数,参数χ在后面给出;
其中,ε1,ε2是正常数;
为了消除有效的故障估计误差造成的影响,采取以下形式:
根据刚性航天器姿态系统执行器效率损失故障的准确估计值,可以设计一个自适应滑模容错控制方案
有益效果:本发明与现有技术相比:
(1)本发明研究的故障类型为发生概率较高的刚性航天器姿控系统执行器效率损失故障,并且充分考虑了控制输入饱和,以及航天器建模的不确定性和外界扰动,在刚性航天器姿态控制系统对故障的容忍能力方面有了很大的提高。
(2)故障估计采用滑模故障估计观测器方法,可以快速准确地产生残差信号,用于故障估计。
(3)容错控制方法采用滑模控制策略,根据在线获得的故障信息,设计了自适应滑模容错控制器,实时更新控制器参数。
(4)本发明设计的方法具有较强的鲁棒性,可以实时在控制输入饱和存在的情况下还能对执行器效率损失故障进行准确地估计,并使刚性航天器姿态系统在发生执行器故障时能保持姿态的稳定,更具有实际意义。
附图说明
图1是本发明的刚性航天器姿控系统执行器故障曲线及其故障估计曲线示意图;
图2是当刚性航天器姿控系统发生执行器效率损失故障和控制输入饱和时,使用本发明容错控制方案时的姿态角响应曲线示意图;
图3是当刚性航天器姿控系统发生执行器效率损失故障和控制输入饱和时,使用本发明容错控制方案时的角速率响应曲线示意图;
图4是当刚性航天器姿态系统发生执行器效率损失故障和控制输入饱和时,刚性航天器姿控系统故障估计与容错控制结构图。
具体实施方式
那么现在根据附图对本发明的具体实施方案做更为详尽的说明。
为了本领域普通技术人员可以更好地了解本发明的实施,本发明还提供了利用Matlab2017a软件进行故障估计与容错控制的仿真验证结果。
如图1所示,当姿态系统中执行器发生效率损失故障和控制输入饱和时,为了使刚性航天器能够姿态稳定,通过滑模观测器建立故障估计模块,对故障进行实时准确估计,进一步利用故障估计信息设计容错控制器,提高刚性航天器姿态控制系统对故障的容忍能力。
本发明是一种刚性航天器姿态系统容错控制方法,包括以下步骤:
步骤一、建立基于四元数表示的刚性航天器姿态系统运动学模型,具体如下:
刚性航天器相对于惯性矩阵不确定性的姿态系统动力学方程如下:
其中J∈R3×3表示刚性航天器的惯性矩阵;ΔJ是参数的不确定性;u(t)=[u1 u2u3]T∈R3×1表示刚性航天器姿态控制系统反作用飞轮(执行器)产生的控制力矩;Td表示刚性航天器姿控系统受到的外部干扰力矩;
经过变化,上述方程可以转换成下面的形式
步骤二、考虑姿控系统有执行器效率损失故障和控制输入饱和的情况下,刚性航天器姿控系统的动力学模型可描述为如下形式:
其中,E=diag[e1 e2 e3]∈R3×3;ei满足0<ei≤1(i=1,2,3);如果ei=1,表示航天器姿态系统执行器无效率损失故障,如果0<ei<1(i=1,2,3),表示航天器姿态系统执行器发生效率损失故障,控制输入饱和可表示为sat(u)=[sat(u1) sat(u2) sat(u3)]T且饱和函数的表达为
步骤三、在考虑姿态系统执行器效率损失故障发生的情况下,建立故障估计观测器,具体过程如下:
由于Esat(u)=Ue;其中U=diag{sat(u1) sat(u2) sat(u3)}且e=[e1 e2 e3]T;
刚性航天器姿态系统动力学方程可以转化成:
由此,滑模故障估计观测器被设计为:
其中,在航天器姿控系统反作用飞轮效率损失故障和控制输入饱和情况下,存在适当的矩阵Λ,满足λmin(Λ)-ε||J-1||≥0;那么所提出的故障估计观测器在控制输入饱和的情况下可以提供执行器效率损失故障的精确估计;
由滑模故障估计观测器和刚性航天器姿态动力学方程可推出残差系统为:
步骤四、根据步骤三所获得的实时故障估计信息,设计一种自适应滑模容错控制器,具体如下:
设计一个滑模面:s=ω+kqv+χ;其中,k为正数,参数χ在后面给出;
其中,ε1,ε2是正常数;
为了消除有效的故障估计误差造成的影响,采取以下形式:
根据姿态系统执行器效率损失故障的准确估计值,可以设计一个自适应滑模容错控制方案
证明过程:
(1)利用Lyapunov稳定性理论,证明滑模故障观测器的稳定性:
设李雅普诺夫函数:
则对V0求导得:
由于下列不等式成立:
由此可得:
根据条件λmin(Λ)-ε||J-1||≥0得
(2)利用Lyapunov稳定性理论,证明航天器姿态容错控制器的稳定性:
对V1(t)求导可得,
仿真验证
本发明利用Matlab2017a软件,对所发明的故障估计与容错控制方法进行了仿真验证:
(1)刚性航天器姿态控制系统参数选取:
惯性矩阵:
广义摄动力矩:
(2)初始参数选取:
不确定性惯性矩阵为ΔJ=diag{sin(0.1t) 2sin(0.2t) 3sin(0.3t)}kg·m2,初始姿态角为q(0)=[-0.26 0.79 -0.53]T,初始角速率为ω(0)=[0.05 0.06 -0.04]Trad/sec,k=0.02,Λ=30diag{0.98 1.01 1.02},v=1.5。
(3)执行器效率故障和控制输入饱和设置:
假设50%的效率损伤故障在仿真时间第18秒发生在第三个反作用飞轮上(即执行器),效率损失故障因子可表述为如下形式:
假设姿态系统中每个执行器所允许的最大控制输入为umax=5N·m。结果说明:图1显示了故障估计观测器对执行器效率损失故障估计的时间响应。从图1可以看出,当姿态控制系统执行器故障在第18秒发生时,故障估计观测器可在5秒内获得精确的故障估值;图2和图3显示了在本专利所提出的姿态容错控制方法在执行器效率损失故障和控制输入饱和情况下的姿态控制性能,不难发现它可以保证闭环姿态系统稳定,即使在存在外部干扰的情况下,在50秒内的姿态角响应也趋于渐近稳定。
Claims (1)
1.一种刚性航天器姿控系统飞轮故障辨识与调节方法,其特征在于,包含以下步骤:
步骤一、建立基于四元数表示的刚性航天器姿态系统运动学模型;
步骤二、建立刚性航天器姿态系统有执行器故障和控制输入饱和的动力学模型;
步骤三、在考虑刚性航天器姿控系统发生反作用飞轮效率损失故障和控制输入饱和的情况下,建立故障估计观测器;
步骤四、根据步骤三所获得的实时故障估计信息,设计自适应滑模容错控制器;
所述步骤一中,建立基于四元数表示的刚性航天器姿态系统运动学模型具体如下:
刚性航天器姿态系统的动力学方程表述为如下形式:
其中J∈R3×3表示刚性航天器的惯性矩阵;ΔJ是参数的不确定性;u(t)=[u1 u2 u3]T∈R3×1表示刚性航天器姿态控制系统反作用飞轮产生的控制力矩;Td表示刚性航天器姿态系统受到的干扰力矩;
经过变化,上述方程可以转换成下面的形式
所述步骤二中,刚性航天器姿态系统有执行器故障和控制输入饱和的动力学模型如下:
其中,E=diag{e1 e2 e3}∈R3×3,ei满足0<ei≤1(i=1,2,3);如果ei=1,表示刚性航天器姿态系统执行器无效率损失故障,如果0<ei<1(i=1,2,3),表示刚性航天器姿态系统执行器发生效率损失故障,sat(u)=[sat(u1) sat(u2) sat(u3)]T;并且饱和函数的表达式为:
所述步骤三中,建立故障估计观测器具体如下:
由于Esat(u)=Ue;其中U=diag{sat(u1) sat(u2) sat(u3)}且e=[e1 e2 e3]T;
刚性航天器姿态系统的动力学方程可以转化成:
由此,滑模故障估计观测器为:
其中,在航天器姿态系统反作用飞轮效率损失故障和控制输入饱和的情况下,存在适当的矩阵Λ,满足条件λmin(Λ)-ε||J-1||≥0;那么所提出的故障估计观测器在执行器饱和的情况下可以提供执行器效率损失故障的精确估计;
由滑模故障估计观测器和刚性航天器姿态动力学方程可推出残差系统为:
所述步骤四中,设计自适应滑模容错控制器具体如下:
设计一个滑模面:s=ω+kqv+χ,其中,k为正数,参数χ在后面给出;
ε1,ε2是正常数;
为了消除有效的故障估计误差造成的影响,采取以下形式:
根据刚性航天器姿态系统执行器效率损失故障的准确估计值,可以设计一个自适应滑模容错控制方案
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