[发明专利]集成故障观测器和控制分配策略的航天器姿态容错的控制方法

说明书

本发明公开了一种集成故障观测器和控制分配策略的航天器姿态容错的控制方法，包括：建立航天器姿态控制系统的动力学模型和运动学模型；设计迭代学习故障观测器；设计虚拟控制器，并集成控制分配策略，得到分配到各个执行器上的主动容错控制量。本发明的方法保证了航天器姿态控制系统的稳定性，具有对执行器故障的容错能力和对外部扰动力矩的鲁棒性，且满足执行器控制力矩饱和受限约束，能够满足实际控制系统的精度要求。

技术领域

本发明涉及一种集成故障观测器和控制分配策略的航天器姿态容错控制方法，主要应用于航天器在轨运行时遇到执行器故障且受到执行器控制力矩饱和受限约束和外部扰动影响时的姿态控制系统。

背景技术

2018年是中国航天的超级大年，仅上半年就成功实现18次航天发射任务，包括陆地勘查卫星三号、第二十八和二十九颗北斗导航卫星、嫦娥四号中继星“鹊桥”号及风云二号H星等都成功发射。2018年也是我国载人航天工程“三步走”战略的开局之年，计划在2020年左右建成长期载人的大型空间站，用于大规模、长时间开发太空资源。同时，中国的民营商业航天迈出新的步伐，从之前的小卫星研制，逐步拓展到运载火箭的设计、研发和制造，并呈现向全产业链拓展的发展势头。可见，不断增长与复杂化的航天任务需求，也要求航天器可以实现高精度、高稳定度、具有自主性的姿态控制技术。

执行器是将控制器输出的指令力矩实际作用到航天器上的重要部件。然而，在复杂的航天器在轨运行过程中，由于执行器长时间在恶劣的太空环境下执行控制操作，难免会导致执行器发生故障，例如执行器内部元件老化问题，从而出现执行器实际的输出力矩小于控制器给出的指令力矩的情况，即执行器失效故障。此外，执行器的精确安装受限于现有的机械加工和安装工艺的水平，且航天器在发射和在轨运行中引起的材料结构形变都会导致执行器给出的实际输出力矩和指令力矩信号方向存在偏差，即执行器的安装偏差问题。因此，如果不能及时、正确地发现故障并采取相应的容错控制策略，航天器姿态控制系统性能将会下降，甚至严重时将导致整个航天任务失败。

因此，为了保证航天器姿态控制系统的可靠性与安全性，设计航天器在轨主动容错控制方法便显得尤为重要。同时，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。另外，现代航天器为了更有效的实现安全可靠的长时间在轨运行，通常采取冗余执行器的配置方式，在设计控制器的过程中，充分利用这些冗余执行器能够提供更多的自由度将指令控制信号分配到各个执行器。还需要考虑的是，执行器由于物理限制无法提供无限大的力矩，当分配到执行器上指令控制信号大于执行器实际能够输出的最大力矩时，会发生执行器控制力矩饱和受限约束情况。因此，针对执行器失效故障和安装偏差，控制力矩饱和受限约束及受到外部扰动的问题，提高航天器姿态控制系统的在轨自主运行能力，保证航天器姿态控制系统的容错能力和鲁棒性与控制精度，具有重要的理论和实际工程价值。

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CN201610367586.4采用鲁棒H∞的设计思想，设计了抗干扰容错控制器，对失效故障具有一定的容错能力，但是，这种方法属于被动容错控制，无法在线估计出故障信息，难以达到最佳的控制性能。因此，相关研究人员提出主动容错控制方法，可以根据不同故障模式，对故障进行实时诊断，具有性能更好的容错控制能力。专利CN201710379752.7设计了一类迭代学习干扰观测器，得到包含故障信息和外部扰动的广义干扰的估计值，以此设计主动容错控制器。但是，这种方法没有充分利用冗余执行器的多自由度控制性能，也没有考虑执行器的控制力矩饱和受限约束的影响。

因此，目前已有的研究中采用的航天器容错控制方法存在缺少有效估计执行器故障信息，且较少通过控制分配策略充分利用冗余执行器并且考虑执行器控制力矩饱和受限约束的情况。

发明内容