航天器快速故障重构与姿态容错控制一体化设计方法研究

The project investigates the integrated design of PD-type learning observer(LO) based fast fault reconstruction and learning terminal sliding mode based Fault-Tolerant Control(FTC) for a flexible spacecraft, considering that there exist issues of rapidity and robustness in integrated fault diagnosis and FTC scheme. The project is mainly concerned with several critical issues, such as Quasi-Linear Parameter-Varying (QLPV) modeling and identification for spacecraft Attitude Control Systems (ACSs), fast reconstruction for reaction wheel faults and thruster faults and spacecraft fault-tolerant attitude control. Analytical/Experimental LPV modeling techniques are used to establish the QLPV model for spacecraft ACSs. Based on P-type iterative learning law and H∞ control theory, PD-type LOs are designed to rapidly and robustly reconstruct reaction wheel faults and thruster faults. Considering fault reconstruction errors, ACS modeling error and space environmental disturbances, based on P-type iterative learning law and terminal sliding mode control algorithm, the integrated design of fast fault reconstruction and learning terminal sliding mode-based fault-tolerant attitude control method is proposed to achieve rapid and robust fault-tolerant attitude control for a flexible spacecraft. The above research will provide feasible solution for integrated design of fault reconstruction and FTC and technical support for improving the safety, reliability, and survivability for spacecraft ACS.

针对挠性航天器姿态控制系统故障诊断与容错控制一体化设计中存在的快速性和鲁棒性问题，本项目研究了基于PD型学习观测器(LO)的故障快速重构与学习终端滑模姿态容错控制一体化设计方法，且重点解决了挠性航天器姿控系统拟线性变参数(QLPV)模型构建与辨识、反作用飞轮故障及推力器故障的快速重构、姿态容错控制等关键问题。利用解析/实验LPV建模技术，建立适用于一体化设计的挠性航天器姿控系统 QLPV模型。基于PD型迭代学习律和H∞控制设计，提出鲁棒PD型LO设计快速重构了挠性航天器飞轮故障及推力器故障。考虑故障重构偏差、系统建模误差以及空间环境扰动等因素，基于P型迭代学习律和终端滑模控制算法，提出了航天器故障快速重构与学习终端滑模姿态容错控制一体化设计从而实现挠性航天器快速鲁棒姿态容错控制。以期通过该项目研究，为提高挠性航天器姿控系统的可靠性、安全性以及可维护性提供有效的技术支持。

针对航天器姿态控制系统故障诊断与容错控制一体化设计中存在的快速性和鲁棒性问题，本项目研究了基于学习观测器的故障快速重构与滑模姿态容错控制一体化化设计方法，且重点解决了航天器姿态控制系统模型构建、反作用飞轮故障及推力器故障的快速重构及其姿态容错控制等关键问题。基于多种类型学习算法和线性矩阵不等式(LMI)技术，提出多种非线性学习观测器设计实现了航天器飞轮故障和推力器故障的快速及鲁棒重构，并给出了学习观测器存在的充分条件以及详细证明了学习观测器的稳定性。针对每种学习观测器设计，提供了观测器参数求解方法，其中部分观测器设计中利用LMI技术系统化求解观测器参数。考虑故障重构偏差、系统建模误差以及空间环境扰动等因素，提出了基于学习观测器和滑模控制算法的航天器故障快速重构与姿态容错控制一体化设计从而实现航天器快速和鲁棒姿态容错控制。考虑航天器飞轮故障、空间环境扰动以及控制输入量化等问题，提出了基于固定时间干扰观测器和非奇异终端滑模算法的航天器干扰快速重构与姿态容错控制一体化设计从而实现航天器鲁棒固定时间姿态控制。通过该项目的深入研究，为提高航天器姿态控制系统的可靠性、安全性以及可维护性提供了有效的技术支持。