过驱动航天器执行机构容错控制分配策略研究

Redundancy configuration of the actuator is the normal scheme to gurantee the spacecraft attitude control system reliability. Moreover,fault tolerant control is another key supporting technologies of spacecraft control system, and provides the reliable technical support to spacecraft attitude control system by achieving fault diagnosis and tolerance. However, a wide range of fault diagnosis, uncertain faults and reliable fault tolerant control methods as the main constraints are the bottleneck to development of practical application. In this research, the over-actuated spacecraft is consided as the research object to carry through fundation scientific research of the actuator fault antonomous diagnosis and fault tolerance. More specifically, the research contents include: considering the multi-objective multi-constraint problem, investigating new control allocation scheme under redundant executing agency; Semi-supervised actuator antonomous fault diagnosis strategy is proposed; a novel autonomous fault tolertant control technique based on control allocation for over-activated spacecraft under actuator fault will be presented by integrating advanced control theory, in which the actuator dynamic characteristics and model uncertainties, will be taken into account. And also the control allocation of the spacecraft energy will be optimized, which combines the capacity control and control allocation. The research will be developed with a view of our future spacecraft fault tolerant control system and increasing its autonomous operation ability in orbit, which provides the technological foundation and theoretical basis for future application.

为保证航天器在轨运行的可靠性，执行机构常采用冗余配置方案。同时，容错控制技术也为延长航天器在轨运行寿命提供了保证。然而，实际系统故障种类繁多、故障的不确定性以及高可靠的容错控制方法成为制约该项技术发展应用的主要难点。本项目以过驱动航天器姿态控制系统为研究对象，对执行机构故障的自主诊断、容错控制进行基础科学研究。具体内容包括：考虑多目标、多约束的冗余执行机构控制分配新方法；基于半监督的执行机构自主故障诊断新策略；综合航天器执行机构故障种类及相关特性，充分考虑航天器执行机构姿态特性、模型不确定性的影响、外部干扰、内部扰动等问题，开展过驱动航天器执行机构容错控制分配新技术、新方法研究，同时，考虑星载能源控制分配的最优处理，分别采用智能控制与控制分配相结合的方法保障过驱动系统的稳定性。该容错控制研究的开展为进一步推动我国航天器姿态控制提供理论基础及技术支持。

该项目为保证航天器在轨运行的可靠性，考虑现实执行机构常采用冗余配置方案。针对实际系统故障种类繁多、故障的不确定性等问题，探讨以过驱动航天器姿态控制系统为研究对象的执行机构故障的自主诊断、容错控制的研究。具体内容包括：第一，针对过驱动航天器姿态控制数学模型，考虑执行机构故障，基于线性化后的姿态控制模型率先提出了一种基于故障估计的姿态稳定控制方法。针对所设计的期望控制力矩，该控制方法通过设计基于时序法的最优控制分配算法，把指令控制力矩分配于各个执行机构，实现能耗优化目标。第二，针对执行机构故障且安装存在偏差的过驱动航天器，考虑外部干扰与不确定转动惯量对姿态控制性能的影响，提出了一种基于动态分配的姿态稳定控制方法，保证能量消耗最优控制。考虑采用推力器进行姿态控制的过驱动航天器，提出了一种自适应变结构容错控制方法，采用动态控制分配算法分配所设计的指令控制力矩于各个推力器，从而实现推力器最小能耗并且产生期望的控制量，完成姿态稳定控制操作。第三，综合考虑航天器执行机构故障、安装偏差与外部干扰问题，提出了过驱动航天器姿态自适应补偿控制设计方法，实现姿态跟踪有限时间控制。提出了一种基于终端滑模观测器的主动容错控制方法。第四，针对执行机构故障且安装存在偏差的过驱动航天器，考虑外部干扰与不确定转动惯量对姿态控制性能的影响，提出了一种数据驱动的方法来确定卫星推力器安装偏差角度。针对数据采集的有限性，同时即要考虑运算速度又要考虑评价的可靠性。而现场数据的采集常包含有错值，对于错值正确的处理直接关乎到评价结果的可靠性。运用标准支持向量回归机(SVR)，结合鲁棒学习的优越性，设计修正多核径向基核函数在线调节核宽度保证支持向量数目确定的精确性，利用改进的鲁棒学习算法处理包含错值的数据集，在线完成模拟电路输出预测与实际输出对比，获取预测误差。在上述基础之，提出了可以减少数据量的改进支持向量机监测方法，及基于无监督聚类的故障诊断策略。第五，所有的控制方法进行了计算机仿真验证。在本项目实施过程中，本课题组在IET Control Theory & Applications、Journal of Guidance, Control, And Dynamics、Neurocomputing、控制与决策等国内外SCI/EI期刊与国内外会议上发表论文28篇。出版中文专著1部，授权发明专利2项。