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基于切换系统方法的卫星姿态容错控制技术研究

作　者: 樊雯
导　师: 姜斌
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 可重构性 容错控制 切换控制 卫星姿态控制
分类号: V448.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


在设计阶段对卫星姿态控制系统的可重构性水平做出分析，并在姿态控制系统故障造成灾难性影响之前采取容错控制技术尽早处理故障，可以有效地提高系统的可重构性水平和故障处理能力。本文以卫星姿态控制系统为研究对象，分析了系统的可重构性并设计了基于切换控制的执行机构容错控制方案，从理论分析和仿真验证等方面开展了研究工作，主要研究内容如下：总结分析卫星姿态控制系统中常见执行机构故障和传感器故障。针对执行机构和传感器的故障情况，将可重构性的概念引入卫星姿态控制系统，提出可重构性评价方案来评估某一配置下的卫星姿态控制系统的在轨可重构性。首先，根据执行机构配置分析系统故障后的可控性及控制能耗，并利用可控性格兰姆矩阵的最小特征值给出系统可重构性的度量指标。其次，针对某一传感器配置，从系统级的角度分析系统的可观性与可重构性之间的关系。在此基础上，给出整个卫星姿态控制系统的可重构性评价方案。最后针对某一配置的卫星姿态控制系统模型进行仿真分析，说明该方案的有效性。针对卫星姿态控制系统的多故障容错问题，设计基于切换的监测容错控制机制。该机制在容错控制中综合了故障检测与隔离，可以应对不同的执行机构故障情况，而无需任何多余的滤波器或模型在线工作。首先针对执行机构不同轴发生恒偏差故障和卡死故障的情况，采用滑模控制方法分别设计容错控制器。然后，设计在这些候选控制器之间进行选择的监测切换律：切换开始于检测到故障的时刻，终止于对应容错控制器切入系统的时刻。在整个切换的过程中，通过设计合理的切换时刻能够保证卫星姿态的有界性。最后通过仿真验证了所设计的监测容错方案在应对多故障情况下的有效性。考虑卫星姿态控制系统执行机构完全失效的故障情况，针对只两个动量轮正常工作的欠驱动刚体卫星，设计切换控制对卫星姿态进行容错镇定。在系统总角动量为零的假设条件下，欠驱动卫星的方程小时间局部可控但无法通过单一光滑反馈控制律稳定。设计两个非线性控制律，使得系统部分状态在某一控制律作用下对另一部分状态输入状态稳定，而另一部分状态在另一控制律作用下对这一部分状态输入状态稳定，然后用小增益定理保证整体系统的稳定性。最后通过一个仿真算例验证了所设计的切换控制方法。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-6
目录  6-11
第一章 绪论  11-18
  1.1 课题背景及意义  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-17
    1.2.1 卫星姿态控制系统可重构性研究现状  12-13
    1.2.2 卫星姿态控制系统容错控制技术研究现状  13-15
    1.2.3 切换控制介绍  15-17
  1.3 本文的主要研究工作  17-18
第二章 卫星姿态控制系统  18-25
  2.1 引言  18
  2.2 卫星姿态控制系统模型  18-22
    2.2.1 常用坐标系定义  18-19
    2.2.2 姿态运动学描述  19-21
    2.2.3 动力学方程描述  21-22
  2.3 卫星姿态控制系统故障分析  22-24
    2.3.1 执行机构故障  22-23
    2.3.2 传感器故障  23-24
  2.4 本章小结  24-25
第三章 卫星姿态控制系统可重构性分析  25-34
  3.1 引言  25
  3.2 卫星姿控系统的线性化模型  25-26
  3.3 可重构性分析  26-30
    3.3.1 执行机构可重构性分析  26-28
    3.3.2 传感器可重构性分析  28-30
    3.3.3 姿控系统可重构性评价  30
  3.4 仿真验证  30-32
  3.5 本章小结  32-34
第四章 基于切换的卫星姿态控制系统监测容错控制  34-53
  4.1 引言  34
  4.2 故障系统模型  34-35
  4.3 稳定性定义  35-36
  4.4 控制器设计  36-41
    4.4.1 滑模控制器设计  36-38
    4.4.2 控制器性质分析  38-41
  4.5 监测容错控制设计  41-45
    4.5.1 故障检测  42
    4.5.2 基于切换的容错控制  42-45
  4.6 仿真验证  45-51
    4.6.1 仿真算例 1  45-48
    4.6.2 仿真算例 2  48-51
  4.7 本章小结  51-53
第五章 基于切换的欠驱动卫星姿态镇定  53-64
  5.1 引言  53-54
  5.2 带有两个动量轮的欠驱动卫星模型  54-57
  5.3 基于切换的欠驱动控制设计  57-61
    5.3.1 切换控制系统描述  57-58
    5.3.2 欠驱动卫星镇定  58-61
  5.4 仿真验证  61-62
  5.5 本章小结  62-64
第六章 总结与展望  64-66
  6.1 全文工作总结  64-65
  6.2 展望  65-66
参考文献  66-72
致谢  72-73
在学期间的研究成果及发表的学术论文  73

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 航天仪表、航天器设备、航天器制导与控制 > 制导与控制 > 航天器制导与控制 > 姿态控制系统
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