基于控制分配的过驱动卫星姿态控制系统容错控制技术研究

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1、中图分类号：V448论文编号：102870314-S233学科分类号：081101硕士学位论文基于控制分配的过驱动卫星姿态控制系统容错控制技术研究研究生姓名陈轩学科、专业控制理论与控制工程研究方向故障诊断与容错技术指导教师姜斌教授程月华副研究员南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一四年三月万方数据NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchonControlAllo

2、cationBasedFaultTolerantControlforOver-ActuatedSatelliteAttitudeControlSystemsAThesisinControlTheoryandControlEngineeringbyXuanChenAdvisedbyProf.BinJiangSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2014万方数据承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文

3、是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：万方数据万方数据南京航空航天大学硕士学位论文摘要随着航天技术的发展，卫星的结构与任务需求越来越复杂，对卫星的稳定性和控制精度的要求也日益

4、增加。为了提高卫星姿态控制系统的稳定性和可靠性，卫星往往采用多个执行机构组成的冗余配置方案。对于过驱动卫星，有必要研究在不调整控制律的情况下，通过控制力矩到冗余配置的执行机构的输出力矩的控制分配实现容错控制。本课题来源于南京航空航天大学研究生创新基地（实验室）开放基金，针对过驱动卫星的姿态控制系统开展基于控制分配的容错控制技术研究。针对过驱动卫星的运动学方程和刚性卫星的动力学方程，研究了在轨卫星所受的环境干扰力矩并且给出了相应的模型，对卫星姿态控制系统中常见的动量轮故障进行分析并且给出了常见的故障模型。考虑过驱动卫星工作

5、运行过程中存在的建模不确定性、外界干扰、执行机构的输出力矩约束和动态特性以及执行机构故障等情况，研究了基于控制分配的过驱动卫星容错控制技术的关键性问题。对于采用推力器与反作用飞轮联合控制的过驱动卫星，考虑在轨卫星任务变化和执行机构乘性故障，研究了一种根据卫星当前任务要求与故障信息自主选择执行机构的动态容错控制分配方法，并且应用分布估计算法求解控制力矩到的冗余配置的执行机构的输出力矩的控制分配问题。该方法可以使得过驱动卫星避免人为选择的主观性，将控制力矩分配至合适的执行机构，并且在执行机构出现故障的情况下，无需改变控制律，

6、而是通过控制分配实现容错控制。考虑转动惯量不确定性和外界干扰，设计了基于干扰观测器的反步控制器完成过驱动卫星的姿态跟踪，并且利用李雅普诺夫方法分析了闭环系统的稳定性。同时对于执行机构乘性故障，考虑执行机构的动态特性，在不改变控制律的情况下，应用基于LMI的动态控制分配方法，利用故障信息调整目标函数实现容错控制。仿真结果验证了该容错控制方法的可行性，在反作用飞轮故障情况下仍然可以实现姿态跟踪，并且具有良好的动态性能。针对过驱动卫星的非线性模型，通过建立系统的T-S模糊模型，设计了具有极点约束的模糊控制律实现区域极点配置。同

7、时对于执行机构故障引起的安装矩阵不确定性，应用鲁棒最小二乘方法，实现控制力矩到执行机构输出力矩的容错控制分配。仿真结果表明，该方法在执行机构发生故障时可以无需故障信息实现过驱动卫星的姿态镇定。关键词：卫星，姿态控制，控制分配，容错控制I万方数据基于控制分配的过驱动卫星姿态控制系统容错控制技术研究ABSTRACTWiththedevelopmentofspacetechnology,thestructureofsatellitesismoreandmorecomplex,andthetaskofsatellitesismo

8、reandmoredifficult.Asaresult,itbringsahighrequirementofthestabilityandthecontrolprecisionofsatellites.Inordertoimprovethestabilityandthereliabilityofsatellitea