航天器姿控系统的PD型学习观测器故障重构.pdf

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinIcaJun.252017VoI.38No.6SSN1000—6893CN11-1929/Vhttp:∥hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cnDoI:10.7527/S1000一6893.2016.0259航天器姿控系统的PD型学习观测器故障重构张科1’2一,韩治国1’2,郭小红3,吕梅柏1’21.西北工业大学航天学院,西安7100722.西北工业大学航天飞行动力学技术重点实验室,西安7100723.西安卫星测控中心,西安7100

2、43摘要:针对满足Lipschitz条件的航天器姿态控制系统这一非线性系统中存在的执行器加性故障、空间干扰与测量噪声问题,提出了基于PD型迭代学习观测器的故障重构方法。该方法具有期望的鲁棒性能指标,能够在系统存在空间干扰与测量噪声情况下实现对突变故障与时变故障等故障类型的精确重构。基于线性矩阵不等式技术给出系统化PD型迭代学习观测器的设计方法,并根据Lyapunov稳定性理论对上述设计方法的稳定性条件进行了理论证明,同时利用鲁棒技术抑制空间干扰与测量噪声对执行器故障重构的影响,通过线性矩阵不等式工具箱求解观测器参数矩阵。最后,

3、将该方法应用到航天器姿态控制系统中,仿真结果证明了该方法的有效性。关键词:故障重构;迭代学习;非线性系统;姿控系统;航天器中图分类号:V448.2文献标识码:A文章编号:1000一6893(2017)06—320629一09随着高性能与高可靠性要求的增加,航天器姿态控制系统(SpacecraftAttitudeControlsys—tem,SACS)变得越来越精细与复杂。由于航天器长期运行在恶劣的空间环境,这样的复杂系统不可避免地存在各种各样的故障,这些故障将会降低系统的性能,甚至带来灾难性的后果。因此,研究航天器姿态控制系统

4、故障重构问题有利于提高系统的可靠性,保障飞行任务的顺利完成。近几年来航天器姿态控制系统故障重构问题越来越受到研究者的重视,成为重要的研究方向[1。4]。自20世纪90年代以来,学习观测器越来越受到研究者的重视[5]。与其他观测器相比,学习观测器具有设计复杂度小、运算量少、鲁棒性强、故障约束宽松等优点,在进行故障重构时,故障重构信号只需根据历史故障信息和当前测量输出估计误差递推更新生成,无需进行积分运算。因此,基于迭代学习观测器的故障重构技术成为故障重构的重要研究方向,并且取得了一系列富有成效的研究成果[6伽。文献[6]首次提出

5、迭代学习观测器的概念,同时根据此观测器对非线性系统进行故障检测与调节。文献[7]使用迭代学习观测器对系统时变参数进行辨识,同时能够估计系统状态。文献[8]根据迭代学习观测器对航天器姿态控制系统进行故障检测、隔离与估计。文献[9]将迭代学习与未知输入观测器相结合的鲁棒容错控制方法应用于航天器在轨运行时存在的执行机构故障和空间干扰问题。该方法利用未知输入观测器实现了空间干扰的解耦问题,同时利用上一时刻的偏差信息实现执行机构在线故障重构。文献[10]针对存在执行器故障、传感器故障与推力收藕日期:2016-07-20;退修日期:201

6、6-08-29;录用日期:2016-09.21;网络出版时间:2016.10.0815:18网络出版地址:www.cnn∞t/kcms/detail/11.1929.V.20161008.1518.002.htmI基金项目:国家自然科学基金(61502391);航天支撑基金(N2015KC0121)*通讯作者.E-mail:zhangke@nwpu.edu.cn鞘用撂武

7、张科.韩治国.郭小红.等.航天器姿控系统的PD型学习观溯器故障重构[J],航空学报.2017.38(6):320629jzHANGK.HANzG·GuoXH,

8、etaI.PD—type

9、∞ming曲ser垤rbasedfa毗n陀o∞stnl烈Ionforspacecrananitudecontro

10、systems[J].ActaAer∞aul

11、caetAslronaulicasinica.2017.38(6):320629.航空学报器故障的线性系统,提出了基于PD型学习观测器的重构故障方法,同时根据鲁棒性能指标设计了PD型学习观测器抑制干扰输入对故障重构的影响。但是该方法只是针对线性系统,并且没有考虑系统测量噪声对故障重构的影响。文献[11]针对航天器姿态控制系统出现的执行器故障,提

12、出了一种基于迭代学习一未知输入观测器的鲁棒故障重构方法,采用未知输入观测器实现干扰解耦,利用迭代学习算法实现故障重构。但是该方法在求解观测器参数时较为繁琐,约束较多,也没有考虑系统的测量噪声对故障重构的影响。基于上述研究,在综合考虑空间干扰与测量噪声下,针对满足Lipschi

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