[发明专利]一种主动指向超静平台自主故障诊断与容错控制方法及系统

说明书

一种主动指向超静平台自主故障诊断与容错控制方法及系统，所设计的故障诊断与容错控制方法适用于主动指向超静平台这类高度耦合的复杂多输入多输出系统。首先，建立了主动指向超静平台动力学模型，并设计了载荷指向控制解耦模型和解耦矩阵。通过解耦矩阵实现主动指向超静平台由复杂多输入多输出系统转换为多个相对简单的单输入单输出系统，简化载荷控制器的设计。然后，针对单个作动器故障的载荷容错控制问题，通过建立新解耦矩阵实现载荷指向控制重构，并给出了基于解耦矩阵条件数最小的冗余自由度选择方法。数学仿真结果表明：基于冗余自由度最优选择的主动指向容错控制方法能够最大限度地减少作动器故障对主动指向超静平台载荷指向控制效果的影响。

技术领域

本发明属于航天器姿态控制领域，涉及一种主动指向超静平台自主故障诊 断与容错控制方法及系统，实现作动器故障对主动指向超静平台的载荷指向控 制精度影响最小化。

背景技术

未来天基天文观测、极高分辨率对地观测等航天器任务提出了光学载荷毫 角秒级的指向控制以及极高稳定度控制的需求。基于我国现有航天器平台及相 关控制技术难以实现这类光学载荷超高精度指向控制需求。而天基主动指向超 静平台具备自由度高、指向精度高、结构刚度大等优势，将成为未来航天器光 学载荷超高精度控制的必备技术。主动指向超静平台属于典型的多输入多输出 冗余系统。当主动指向超静平台单个作动器故障时，由于通道之间耦合特性， 使得故障作动器影响多个通道的控制效果。因此，有必要研究主动指向超静平 台这类多输入多输出耦合冗余系统的故障诊断与容错控制方法，实现故障作动 器对主动指向超静平台的载荷指向精度影响最小化。现有的故障诊断与容错控制方法存在以下不足：

1、无法实现耦合系统准确的故障诊断

目前的故障诊断方法针对的物理相对多为线性系统，诊断方法中不考虑通 道之间的耦合因素。当系统存在耦合时，单一通道发生故障时容易引起多个输 出通道测量值变化。因此难以通过系统测量值准确定位故障。文中针对存在耦 合的一般动力学模型设计解耦模型和标准解耦矩阵，使复杂多输入多输出系统 变为多个相对简单的单输入单输出系统，实现故障的准确诊断。

2、无法实现耦合系统的故障冗余重构

目前诊断与重构方法多针对线性系统，重构方法中不考虑通道之间的耦合 因素。因此难以通过执行机构的冗余配置实现系统重构，从而恢复系统的部分 或全部功能。文中针对耦合冗余系统提出指向控制重构策略，在建立新的解耦 矩阵的基础上。通过解耦矩阵条件数最小的冗余自由度进行重构策略选择，实 现最大限度地减少作动器故障对超静平台主动指向控制效果的影响。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种主动指向超 静平台自主故障诊断与容错控制方法，能够最大限度地减少作动器故障对超静 平台主动指向控制效果的影响。

本发明的技术解决方案是：一种主动指向超静平台自主故障诊断与容错控 制方法，步骤如下：

(1)在主动指向超静平台作动器空间内建立主动指向超静平台动力学模 型。

(2)忽略主动指向超静平台动力学模型中速度的关联项将步骤(1) 建立的主动指向超静平台动力学模型转换为新的线性模型。

(3)建立主动指向超静平台中作动器平动位移δl和载荷位姿δχ的运动学 约束关系。

(4)根据步骤(3)主动指向超静平台中作动器平动位移δl和载荷位姿δχ 的关系，确定主动指向超静平台作动器操纵律分配矩阵G。