执行器故障的大型挠性卫星姿态大角度快速机动容错控制研究

To guarantee that large flexible satellites have capabilities to perform urgent or un-planned missions, those satellites usually need to accomplish large-angle fast slewing attitude maneuvers even in the presence of actuator faults. However, the existing mathematical modeling techniques for attitude control system, and the actuator dynamics model-based fault diagnosis methodologies are not appropriate to design large-angle fast slewing attitude controller and fault tolerant control law for large flexible satellites. Those issues are becoming the most of challenges that need to be addressed. As a result, this project firstly investigates the problems of attitude dynamics model establishment and on-orbital identification approach design for flexible structure’s parameters. The established mathematical model is able to precisely describe the attitude dynamic characteristics during large-angle attitude fast slewing. On the basis of this model, a hybrid fault diagnosis scheme will be presented to detect actuator faults. It can address the drawbacks of model-based and data driven-based fault diagnosis strategies. Taking constraints such as attitude slewing time and angles magnitudes into consideration, a novel large-angle fast slewing attitude fault tolerant control approach will finally be developed for large flexible satellites. External disturbances, flexible vibration, and actuator faults are explicitly addressed. This project aims to solve the common scientific problems of large-angle fast slewing attitude control, fault diagnosis, and fault tolerant control for large flexible satellites, and to provide the theoretical and technical foundation of improving satellite’s capabilities for handling urgent missions and accomplishing attitude maneuvers reliably.

为保障大型挠性卫星具有响应非预定任务的应急能力，要求此类卫星在执行器任何工况特别是故障下能够完成姿态大角度快速机动操作。目前现有的姿态动力学建模技术与基于执行器工作机理模型建立的故障诊断方法等已成为制约大型挠性卫星姿态大角度快速机动及其容错控制技术发展的主要瓶颈。为此，本项目将深入研究适合于大型挠性卫星姿态大角度快速机动的姿态动力学建模和挠性机构参数在轨辨识方法；在此基础上，研究执行器故障诊断问题，提出一种混合型故障诊断方法，解决基于模型与基于数据驱动的故障诊断方法的不足；在姿态机动时间、机动角度等多约束下，考虑干扰、挠性振动等不确定因素，研究执行器故障下的大型挠性卫星姿态大角度快速机动容错控制新方法。本项目旨在解决大型挠性卫星姿态大角度快速机动、故障诊断与容错控制等共性基础科学问题，为提高卫星应急处理能力与姿态控制可靠性奠定理论与技术基础。

执行器动力学模型难以建立、执行器故障与系统不确定性等多因素作用下的大型挠性卫星姿态大角度机动控制已成为航天技术领域重要研究课题之一，其技术水平将对在轨卫星其应急能力、安全性与可靠性有着重大的影响。为此，本项目应我国大型挠性卫星高性能、高可靠性姿态控制研究总目标的要求，对大型挠性卫星的“姿态大角度机动控制技术”的关键技术展开攻关。本课题聚焦于大型挠性卫星姿态大角度快速机动控制系统数学建模、部件精确模型难建立及其运行工况数据少下的卫星执行器故障诊断与多约束多目标下的大型挠性卫星姿态大角度快速机动及其容错控制等三个主要研究内容，并进行了较为深入的研究，最终提出了一种基于观测器技术的大型挠性卫星姿态大角度机动容错控制理论框架。该理论框架较为鲜明地解决了部件数学模型难建立且可用数据少下的卫星执行器故障诊断与多约束下的大型挠性卫星姿态大角度快速机动及其容错控制等两大关键科学问题。实现了建立适合于大型挠性卫星姿态大角度控制系统数学模型、建立执行器数学模型难以精确建立的故障诊断方法、以及执行器故障等多约束多目标下的大型挠性卫星姿态大角度快速机动控制器设计等三大既定研究目标。项目执行至今，共发表学术论文21篇，授权发明专利3项，其中在IEEE Transactions系列期刊上发表SCI一区检索论文12篇、二区检索论文2篇，EI检索会议论文7篇，3篇论文入选ESI高被引论文，1篇论文入选ESI热点论文。所取得的研究成果获上海市技术发明一等奖项、辽宁省科学技术进步三等奖与锦州市科学技术进步一等奖各一项。此项目研究成果将为提高大型挠性卫星姿态控制系统的可靠性、安全性，并为增强大型挠性卫星姿态大角度机动能力与快速响应能力提供一定的理论方法支撑。