[发明专利]一种基于迭代学习干扰观测器的航天器姿态容错控制方法

说明书

本发明涉及一种基于迭代学习干扰观测器的航天器姿态容错控制方法，针对航天器在轨工作进行姿态控制的过程中存在执行器故障与外部扰动的问题，提出一种基于迭代学习观测器的主动容错控制方法；本发明包括以下步骤：首先，考虑航天器姿态控制系统中的执行器存在故障和航天器受到空间中的外部扰动影响，建立航天器姿态控制系统动力学模型；然后，设计迭代学习干扰观测器估计由执行器故障信息和外部扰动组成的广义干扰力矩；最后，基于估计出的广义干扰设计主动容错控制器；该方法保证了当航天器的执行器发生故障及存在外部扰动时姿态控制系统的稳定性，满足实际控制系统精度要求，具有较强的容错能力及对外部扰动的鲁棒性等优点。

技术领域

本发明涉及一种基于迭代学习干扰观测器的航天器姿态容错控制方法，主要应用于航天器在进行空间任务时遇到执行器故障且受到外部扰动影响时的姿态控制系统。

背景技术

“十三五”是中国航天发展的战略机遇期，到2020年左右，我国将完成载人航天、探月工程、北斗导航、高分辨率对地观测系统等现有的重大科技专项；2025年前后，将全面建成国家民用空间基础设施，推动空间信息应用规模化、业务化、产业化发展；2030年实现整体跃升，跻身航天强国之列，以航天梦助力中国梦。姿态控制系统作为航天器重要分系统之一，它的可靠性、是否正常工作将直接决定航天器能否正常完成既定航天任务。根据统计数据可知，姿态控制系统中约44％的故障是由飞轮、控制力矩陀螺以及包括离子推进系统在内的执行器失效故障所造成的，这类执行器故障将会导致航天器全部或者部分丧失对系统的控制能力，如果不能及时、正确地被检测、定位、隔离并进行相应容错处理，则姿态控制性能将显著下降或系统稳定性将受到破坏，严重时将导致整个航天任务失败；考虑到反作用飞轮制造与装配过程中机械精度、物理工艺技术的约束，以及环境干扰力矩的影响，其安装构型往往与标称构型存在一定的偏差，即存在安装偏差问题；因此，提供航天器在轨自主处理相应的执行器故障方法便显得尤为重要；此外，航天器会受到来自空间的各种扰动力矩的影响，如重力梯度力矩、气动力矩、太阳辐射压力矩和剩磁力矩，在一定程度上会影响控制性能；因此，考虑到这些问题，提高航天器姿态控制系统的容错能力和鲁棒性同时保证比较满意的控制精度和控制要求是航天器姿态控制系统的重点和难点。

针对上述问题，国内外已有相关方法用于实现航天器姿态控制系统的容错控制。专利CN201210242175.4用随机切换系统模型描述带有间歇性故障的航天器姿控系统的运行全过程，进而将姿控系统的容错分析问题转化为带有不稳定模态的切换系统的稳定性分析问题，但这种方法属于被动容错控制，因此控制器在处理不同情况的故障时，对于当前故障难以达到最佳的控制性能，并且当未知的故障出现时，也谈不上系统的闭环稳定和优秀的系统性能；因此，相关研究人员提出主动容错控制方法，用于在线实时对故障进行诊断，隔离和重新配置，能够在达到控制性能的同时满足鲁棒性和容错能力；专利CN201510232385.9设计了一类三轴力矩有效性故障因子观测器，得到有效的执行器故障因子估计值，以此设计鲁棒自适应容错控制器，以实现当执行器出现故障下的航天器机动控制，但是，这种方法仅能处理执行器部分失效故障，而没有考虑执行器的安装偏差和外部扰动的影响；因此，现有的航天器容错控制方法存在难以有效估计执行器故障信息，且较少考虑执行器安装偏差和航天器受到外部扰动的情况。

发明内容

本发明的技术解决问题是：由于实际航天任务中，航天器姿态控制系统的执行器可能发生故障，存在安装偏差且同时受到外部扰动影响的问题，本发明提供一种基于迭代学习干扰观测器的航天器姿态容错控制方法，通过设计迭代学习观测器估计由执行器故障信息和外部扰动组成的广义干扰，由此设计一类主动容错控制器；解决了航天器实际在轨运行过程中存在执行器故障及其安装偏差，且航天器受到外部扰动影响的问题，保证了整个航天器姿态控制系统的容错能力和对外部扰动的鲁棒性。