[发明专利]一种卫星输出反馈容错控制器的设计方法

说明书

本发明涉及一种基于滞后切换策略的输出反馈切换控制器设计方法，对被控对象的故障进行建模，得到每种故障模式对应的子系统模型；根据故障因子设定容错控制器切换面的初始值、上下限和步长，设定H_∞参数的初始值作为存储值；根据子系统模型和容错控制器切换面的初始值、上下限和步长设置，通过矩阵不等式约束构建控制器；如果容错控制器切换面到达上限，则保存求解结果。本发明应用滞后切换策略的控制器和切换律设计方法，应用冗余备份惯性轮特点设计故障发生状态下的控制器设计，使卫星控制器在惯性轮发生故障时可以平稳切换至备份惯性轮的控制律，同时具有较高的干扰抑制水平，提高卫星运行的安全性和可靠性。

技术领域

本发明涉及卫星容错控制领域，具体地说是一种卫星输出反馈容错控制器的设计方法。

背景技术

惯性轮是卫星控制系统的执行机构，是卫星姿态控制不可缺少的基础设备，也是卫星能够在轨运行的根本保证，惯性轮的可靠性和安全性是卫星稳定运行的必要前提。在卫星的姿态控制中，需要通过欧拉法或者四元素法对姿态进行建模和控制。在卫星运行中，对可靠性和安全性的要求极高，惯性轮的设计中包含了备份惯性轮使某一工作惯性轮出现故障姿态系统仍然可以正常工作。这样，通过切换控制器的设计容错控制器可以使系统在惯性轮故障时切换至备份惯性轮继续稳定运行。

切换策略已经在线性变参数领域得到了广泛的研究。切换控制使变参数控制器设计更加灵活和实用。目前的研究已经将该切换变参数控制策略应用至导弹系统、飞行器系统、发电系统和倒立摆等系统中。

滞后切换是切换策略中的常用方法。其原理是将变参数系统的参数区间进行划分，参数在不同子区间变化时系统使用不同的子控制器。滞后切换方法在划分中对相邻的两个子区间设计不同的切换面，并在不同的切换面上设立不同的切换条件。这样，对于每一个不同的参数子区域，参数变化引起的控制器的切入和切出条件是不同，避免了参数变化导致的频繁切换。

H_∞方法是鲁棒控制中的常用方法，该方法在保证系统稳定的同时，对系统对扰动输入的抑制参数进行优化，求解得到的控制器使系统稳定，并且使闭环系统具备抗扰动能力。通常通过使用线性矩阵不等式约束方法，求解未知矩阵，最终得到控制器的具体形式。

在现有的容错控制方法中，通常故障切入和切出采用同样的切换条件。这种切换策略可能导致切换面附近频繁切换，基于滞后切换策略的容错控制器设计将故障切入和切出切换面分开，使切入和切出之间形成缓冲，该设计可以有效地避免故障面附近的频繁切换。

通过建立状态反馈控制器对系统进行控制和容错切换控制必须建立在已知全部的状态信息的前提下，因此，当无法获知全部状态信息的情况，状态反馈控制器无法对系统进行控制以及容错切换控制，故条件比较苛刻，适用性不强。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于滞后切换策略的输出反馈切换控制器设计方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种基于滞后切换策略的输出反馈切换控制器设计方法，包括以下步骤：

步骤1：对被控对象的故障进行建模，得到每种故障模式对应的子系统模型；

步骤2：根据故障因子设定容错控制器切换面的初始值、上下限和步长，设定H_∞参数的初始值作为存储值；

步骤3：根据子系统模型和容错控制器切换面的初始值、上下限和步长设置，通过矩阵不等式约束构建控制器；

步骤4：如果容错控制器切换面到达上限，则保存求解结果，否则返回步骤3。

所述子系统模型为：

z＝C₁x+D₁₁ω+D_12,iF(ρ)u,