[發明專利]集成故障觀測器和控制分配策略的航天器姿態容錯的控制方法

有效

• 申請號: 201910158638.0
• 申請日: 2019-03-04
• 公開（公告）號: CN109765920B
• 公開（公告）日: 2021-08-06
• 發明（設計）人: 胡慶雷;牛廣林;董宏洋;郭雷
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種集成故障觀測器和控制分配策略的航天器姿態容錯控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：考慮航天器姿態控制系統中的執行器存在失效故障、安裝偏差故障和受到外部擾動的影響，建立航天器姿態控制系統的動力學模型；建立的航天器姿態控制系統的動力學模型為：

其中，ω∈R^3×1表示航天器在本體坐標系下相對慣性坐標系的姿態角速度向量；J∈R^3×3是航天器總的慣量矩陣，且是對稱矩陣；表示航天器角加速度矢量；D₀∈R^3×m是執行器分配矩陣且其秩為rank(D₀)＝3，其用來將航天器上搭載的各個執行器提供的力矩分配到關于航天器本體軸的三個方向上，m為執行器的個數；uc為通過控制分配策略分配到各個執行器上的主動容錯控制量；表達式S(ω)定義為：

為了提高航天器姿態控制系統的容錯能力，使用多于三個的執行器冗余配置的方式，由執行器失效故障、安裝偏差產生的執行器故障信息定義為u_f＝(D₀+ΔD)τ_f+ΔDu_c，其中，ΔD∈R^3×m表示執行器的安裝偏差矩陣；τ_f表示由于執行器失效故障導致損失的那部分輸出力矩，其形式為τ_f＝(E(t)-I_m×m)u_c，其中，E(t)＝diag(e₁(t)，e₂(t)，...，e_m(t))∈R^m×m為m階對角矩陣，表示m個執行器的失效情況，元素0≤e_i(t)≤1，i＝1，2，...，m為各個執行器的失效因子，如果e_i(t)＝1則表示第i個執行器正常工作，如果0＜e_i(t)＜1則表示第i個執行器損失了部分效能，如果e_i(t)＝0則表示第i個執行器完全失效；I_m×m是m×m的單位矩陣；d∈R³表示航天器受到的來自空間中的外部擾動力矩，其值未知但有界，表示為||d||≤d_max，d_max定義為外部擾動力矩的上界值；

建立航天器姿態控制系統的運動學模型為：

其中，表示航天器的姿態單位四元數中的標量部分，與繞歐拉軸旋轉的角度有關，θ表示繞著歐拉軸轉過的角度，q_v＝[q₁，q₂，q₃]^T為含有三個元素的列向量，與歐拉軸方向有關，

e_x，e_y，e_z代表歐拉軸三個方向上的旋轉軸，且滿足單位化約束條件q₀²+q_v^Tq_v＝1，I_3×3是3×3的單位矩陣，表達式S(q_v)定義為：

S2：基于步驟S1建立的動力學模型，設計迭代學習故障觀測器，以此估計由于執行器發生故障產生的力矩；

所述迭代學習故障觀測器設計為：

其中，J∈R^3×3是航天器總的慣量矩陣，且是對稱矩陣；T是迭代學習故障觀測器的更新時間，選取為控制系統的采樣時間；t表示當前時刻；和f(t)分別定義為用式(1)迭代學習故障觀測器得到的t時刻的航天器角速度估計值和故障信息估計值；f(t-T)表示t-T時刻的故障信息的估計值；λ是一個正的標量常數，L∈R^3×3，K₁∈R^3×3和K₂∈R^3×3都是觀測器增益正定矩陣；表示航天器角速度和角速度估計值之間誤差向量的各個元素的值分別對應如果大于0取值為1，如果等于0取值為0，如果小于0取值為-1組成的向量；

S3：基于步驟S2中估計出的由于執行器發生故障產生的力矩，對于步驟S1中給出的動力學模型，設計虛擬控制器，并集成控制分配策略，得到分配到各個執行器上的主動容錯控制器；

所述虛擬控制器為：

u_v＝-αu_maxq_v-(1-α)u_maxtanh((ω+k(t)q_v)/β²(t)) (2)

其中，α為控制器參數，且滿足約束關系為0＜α＜1-d_max/u_max≤1，u_max為虛擬控制器所能提供力矩的上界值，d_max為外部擾動力矩的上界值；q_v∈R³；k(t)為時變的控制器增益，其關于時間的導數為：

其中，γ為正的標量常數，β²(t)為一個任意的銳度函數，其需要滿足0＜β²_min≤β²(t)∈L_∞且β²_min為銳度函數β²(t)的下界；L_∞表示函數有界；對于任意一個向量z＝[z₁,z₂,z₃]^T，z₁,z₂,z₃分別為向量中的三個元素，則tanh(z)定義如下：

tanh(z)＝[tanh(z₁),tanh(z₂),tanh(z₃)]^T (3)

考慮執行器故障及控制力矩飽和受限情況，將虛擬控制器以最優的效果分配到每個執行器對應的控制信號，將步驟S2中得到的故障信息估計值和步驟S3中的虛擬控制器集成到控制分配策略中，并將其表示成最優化問題為：

其中，為每個執行器所能輸出力矩的上界值；u_c^TMu_c是上式等號右邊的優化函數的正則項，u_c^T為控制信號向量u_c的轉置，M是一個正定的權值矩陣，其可以表示為M＝D₀^Tdiag(|f₁(t)|,|f₂(t)|,|f₃(t)|)D₀，diag(|f₁(t)|,|f₂(t)|,|f₃(t)|)定義為分別由f₁(t),f₂(t),f₃(t)的絕對值組成的對角矩陣，f₁(t),f₂(t),f₃(t)分別為故障信息估計值f(t)的三個分量；γ為正則化系數，表示正則項起到的作用程度；

其中，利用最優化工具包YALMIP解算最優化問題(4)，得到實際分配到每個執行器上的主動容錯控制量。