[發明專利]一種基于組合觀測器的航天器故障診斷方法

有效

• 申請號: 202010783786.4
• 申請日: 2020-08-06
• 公開（公告）號: CN111897221B
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發明（設計）人: 胡慶雷;李遠東;陳緒寧;邵小東;鄭建英;郭雷
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗;賈玉忠

本發明涉及一種基于組合觀測器的航天器故障診斷方法，包括以下步驟：首先，建立考慮執行機構故障的航天器動力學模型；其次，基于一般故障檢測觀測器和神經網絡，建立新型的在線訓練神經網絡觀測器；然后，利用自適應閾值切換方法將龍伯格觀測器與新型神經網絡觀測器結合為組合觀測器；最后，利用組合觀測器進行執行機構故障的自主診斷；本方法能夠保證在計算量受限情況下實現航天器姿控系統執行機構的自主故障診斷，并且具有魯棒性強，診斷精度高的優點。

技術領域

本發明涉及一種基于組合觀測器的航天器故障診斷方法，主要應用于存在模型不確定性、外部干擾和計算量限制情況下的航天器姿控系統執行機構故障診斷，屬于航天器故障診斷技術領域。

背景技術

以反作用飛輪為代表的航天器執行機構是航天器姿態控制系統的重要組成部分。由于這類執行機構長期工作在惡劣的空間中，如高低溫變化、高能粒子的撞擊，加之電機長時間運轉產生的摩擦、腐蝕、短路等因素，致使其極易發生故障。如果對執行機構故障無法進行及時的診斷并采取相應的措施，輕則會使航天器執行任務的能力下降，重則會使航天器無法完成既定的任務，帶來巨大的經濟損失。因此，開展航天器執行機構故障診斷研究具有重要意義。此外，隨著我國火星探測、木星探測等深空探測工程的陸續展開，航天器與地面測控站的距離越來越遠，通信時延越來越大。傳統的依靠測控站專家判斷的故障診斷方案難以及時對航天器執行機構故障進行診斷，這對航天器安全可靠地執行任務構成了巨大威脅，因此進行航天器的自主故障診斷十分必要。由于航天器模型不確定性及外部干擾的因素，對于此復雜的非線性系統，傳統的龍伯格、自適應等觀測器難以進行快速、準確、可靠的故障診斷。神經網絡具有可以逼近任何光滑非線性函數的特點，在很多領域都發揮了巨大作用。將其與觀測器結合可以實現在存在模型不確定及外部干擾情況下的準確故障診斷。不過現存的神經網絡觀測器大多具有結構復雜，計算量較大的缺點，對航天器姿控計算機的計算量、散熱及電源都會造成巨大壓力。因此開發一種計算量較小，可以有效抗模型不確定及外界干擾的航天器故障診斷方案具有很大的應用價值。

發明內容

本發明的技術解決問題：針對航天器存在計算量限制、模型不確定性和外部干擾等問題，提供一種基于組合觀測器的航天器故障診斷方法，它是一種魯棒性強、抗干擾能力強且能夠以較小的計算量實現航天器執行機構自主故障診斷的方法，解決了航天器在計算量受限、存在外界干擾及模型不確定情況下的高精度、高可靠性自主故障診斷問題，提高了航天器在執行長期深空探測等任務時的可靠性。

本發明的技術解決方案：一種基于組合觀測器的航天器故障診斷方法，其實現步驟如下：

第一步，建立考慮姿控系統執行機構故障的航天器動力學模型：

y(t)＝Cx(t)

其中表示航天器姿態的狀態變量，n為系統狀態維數，t為時間，為系統的輸入系數矩陣，m為執行機構個數，為每個執行器的理論輸出力矩，為系統的干擾分布矩陣，下標d代表干擾，p為干擾個數，為系統的干擾向量，為系統的故障分布矩陣，r為故障個數，為系統的故障函數，為系統的測量輸出向量，c為系統輸出維數，為系統的輸出系數矩陣，Φ(x,t)為系統的非線性函數項：

其中I_x、I_y、I_z表示航天器的三軸轉動慣量，x₁、x₂、x₃表示航天器三軸姿態角速度。在航天器執行任務期間，飛輪長時間做機械運動，由于摩擦、溫度、腐蝕等原因極易發生故障。飛輪等執行機構的典型故障形式有：

(1)卡死故障