[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

本發明公開了一種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，包括：建立航天器姿態控制系統的動力學模型和運動學模型；設計迭代學習故障觀測器；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量。本發明的方法保證了航天器姿態控制系統的穩定性，具有對執行器故障的容錯能力和對外部擾動力矩的魯棒性，且滿足執行器控制力矩飽和受限約束，能夠滿足實際控制系統的精度要求。

技術領域

本發明涉及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，主要應用于航天器在軌運行時遇到執行器故障且受到執行器控制力矩飽和受限約束和外部擾動影響時的姿態控制系統。

背景技術

2018年是中國航天的超級大年，僅上半年就成功實現18次航天發射任務，包括陸地勘查衛星三號、第二十八和二十九顆北斗導航衛星、嫦娥四號中繼星“鵲橋”號及風云二號H星等都成功發射。2018年也是我國載人航天工程“三步走”戰略的開局之年，計劃在2020年左右建成長期載人的大型空間站，用于大規模、長時間開發太空資源。同時，中國的民營商業航天邁出新的步伐，從之前的小衛星研制，逐步拓展到運載火箭的設計、研發和制造，并呈現向全產業鏈拓展的發展勢頭。可見，不斷增長與復雜化的航天任務需求，也要求航天器可以實現高精度、高穩定度、具有自主性的姿態控制技術。

執行器是將控制器輸出的指令力矩實際作用到航天器上的重要部件。然而，在復雜的航天器在軌運行過程中，由于執行器長時間在惡劣的太空環境下執行控制操作，難免會導致執行器發生故障，例如執行器內部元件老化問題，從而出現執行器實際的輸出力矩小于控制器給出的指令力矩的情況，即執行器失效故障。此外，執行器的精確安裝受限于現有的機械加工和安裝工藝的水平，且航天器在發射和在軌運行中引起的材料結構形變都會導致執行器給出的實際輸出力矩和指令力矩信號方向存在偏差，即執行器的安裝偏差問題。因此，如果不能及時、正確地發現故障并采取相應的容錯控制策略，航天器姿態控制系統性能將會下降，甚至嚴重時將導致整個航天任務失敗。

因此，為了保證航天器姿態控制系統的可靠性與安全性，設計航天器在軌主動容錯控制方法便顯得尤為重要。同時，航天器會受到來自空間的各種擾動力矩的影響，如重力梯度力矩、氣動力矩、太陽輻射壓力矩和剩磁力矩，在一定程度上會影響控制性能。另外，現代航天器為了更有效的實現安全可靠的長時間在軌運行，通常采取冗余執行器的配置方式，在設計控制器的過程中，充分利用這些冗余執行器能夠提供更多的自由度將指令控制信號分配到各個執行器。還需要考慮的是，執行器由于物理限制無法提供無限大的力矩，當分配到執行器上指令控制信號大于執行器實際能夠輸出的最大力矩時，會發生執行器控制力矩飽和受限約束情況。因此，針對執行器失效故障和安裝偏差，控制力矩飽和受限約束及受到外部擾動的問題，提高航天器姿態控制系統的在軌自主運行能力，保證航天器姿態控制系統的容錯能力和魯棒性與控制精度，具有重要的理論和實際工程價值。

針對上述問題，國內外已有相關方法用于實現航天器姿態控制系統的容錯控制。專利CN201610367586.4采用魯棒H∞的設計思想，設計了抗干擾容錯控制器，對失效故障具有一定的容錯能力，但是，這種方法屬于被動容錯控制，無法在線估計出故障信息，難以達到最佳的控制性能。因此，相關研究人員提出主動容錯控制方法，可以根據不同故障模式，對故障進行實時診斷，具有性能更好的容錯控制能力。專利CN201710379752.7設計了一類迭代學習干擾觀測器，得到包含故障信息和外部擾動的廣義干擾的估計值，以此設計主動容錯控制器。但是，這種方法沒有充分利用冗余執行器的多自由度控制性能，也沒有考慮執行器的控制力矩飽和受限約束的影響。

因此，目前已有的研究中采用的航天器容錯控制方法存在缺少有效估計執行器故障信息，且較少通過控制分配策略充分利用冗余執行器并且考慮執行器控制力矩飽和受限約束的情況。

發明內容