卫星姿态控制系统容错控制综述

2021-01-14 网络
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原题目:卫星姿态控制系统容错控制综述

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卫星姿态控制系统容错控制综述

作者 | 姜斌,张柯,杨浩,程月华,马亚杰,成旺磊

摘 要:本文主要针对卫星姿态系统的容错控制研究领域已有的功效举行了回首。文章总结了海内外卫星容错控制的现有功效,主要从卫星姿态控制系统的可重构性、单体卫星容错控制和卫星编队容错控制三个部门对相关的研究功效举行了归纳剖析。其中,卫星姿态系统的可重构性从重构目的和系统功效要求两方面举行剖析;对单体卫星容错控制现状的先容主要从自适应手艺、滑模理论、预设性能、滋扰观察器、故障估量观察器几个方面睁开;卫星编队容错控制方式从自力容错、协同容错、拓扑重构和组成重构的角度举行论述。最后给出了本文的总结部门,并展望卫星姿态控制系统容错控制领域未来可能泛起的新问题和研究思绪。

01

弁言

1.1研究靠山

随着太空领域探索手艺的需求与生长,现代航天手艺已然成为一个国家综合科技实力的象征,不论是在经济建设照样在国防军事建设层面上都 占有举足轻重的职位。随着我国航天领域手艺的不停生长,为实现更庞大的深空探索义务,对卫 星等空间航行器的功效密度与系统庞大度的要求日益严酷,以期有用提升空间义务执行能力,但这不能制止的增添了系统故障发生的可能性[1]。为了削减卫星在太空探测义务中对地面测控的依赖,增强在轨卫星的平安性并降低运行成本,需要提高卫星在庞大环境下的自主运行能力,使其能够最大限度地自主完成探测义务。为了实现这些目的,卫星系统需要具备容错和自修复的能力,对系统异常状态做出实时有用的响应,保证空间义务的顺遂完成的同时大幅降低经济损失。好比美国在航天器故障诊断与康健治理方面也投入了大量的人力物力,使得航天器运行风险降低50%,且预算降低了30%。

姿态控制系统是卫星系统最基础、最要害的 子系统之一,该系统的稳固运行是航天义务顺遂执行的条件和保障,提高卫星姿态控制系统的可靠性显得主要而迫切[2][3]。然而,姿态控制系统又是故障极易发生的子系统,图1为1988~2014年间遥感卫星差别子系统发生故障的比例[4],其中37%的故障来自于控制系统。美国的预警卫星DSP-23的姿轨控系统在2008年9月发生未知故障,美国平安部不得加大投资,但仍无法挽回该卫星。

图 1 遥感卫星分系统在轨故障统计

在轨卫星在空间运行中遇到的不确定性因素多,且人工干预能力有限,应用自动或被动容错控制手艺可以有用提高姿态控制系统的鲁棒性和在轨故障的恢复能力,保障故障情形下姿态控制系统的高品质姿轨控性能[5]。现有文献[6][7]中就详细论述了海内外航天器姿态控制系统故障诊断和容错控制手艺的主要性和生长现状等,此外一系列实例也验证了为卫星姿态控制系统设计容错控制器的有用性和必要性。例如,上世纪末就有学者在SAX卫星的在轨拓展实验中发现,对发生故障的卫星姿态控制系统设计合适的容错控制器,可以保证卫星继续完成义务[8]。

本世纪初,卡西尼号卫星航天器行使冗余反作用飞轮替换发生故障的主反作用飞轮执行有用的容错控制计谋,知足了卫星的性能指向要求[9]。在远紫外光谱探测器陀螺仪性能衰退,且2个正交飞轮故障的情形下,通过重构容错控制机制,行使冗余飞轮和磁力矩器可恢复部门姿态控制性能[10]。当在轨卫星遭受空间碎片撞击引发故障而失去姿态稳固控制能力后,行使卡尔曼滤波器等手艺设计容错控制器可恢复卫星姿态控制性能[11]。在卫星编队历程中,面临磁力矩器失效故障和磁力矩器饱和征象,设计基于磁力矩器的自旋稳固算法可实现姿态的稳固控制[12]。

此外,有学者思量卫星推力器故障,以最优查表法连系线性规划的方式有用提高了卫星控制系统的容错性[13]。文献[14]先容了HJ-1A、1B卫星上发生系统级和部件级故障下的姿态控制方案,通过设计容错控制机制卫星顺遂的完成了一系列动作,控制精度也知足指标要求。文献[15]连系冗余、自诊断和看门狗手艺为皮卫星设计了具有容错能力的卫星星务治理系统,通过综合测试软件验证了容错机制的优越效果。

综上所述,凭据在轨卫星姿态控制系统的自主性和可靠性的生长要求,为具备更强的自主运行、维护能力以面临生计条件苛刻的外太空环境,针对卫星姿态控制系统的故障问题,开展容错控制的理论与手艺研究事情具有十分主要的学术价值、战略意义和应用远景。

1.2面临的科学问题

1.2.1卫星姿态控制系统可重构性

容错控制实现的条件是控制系统具有对故障举行自主处置的能力,它是系统的一种固有属性,称为可重构性[16]。虽然控制系统的可重构性于20世纪80年代就已提出,然则对于卫星而言,庞大多样的空间环境、有限且名贵的星载资源、以及艰难的义务目的等现实工程因素导致卫星姿态控制系统的可重构性研究尚未形成完整的系统[17],有如下两方面的科学问题:

(1)若何制订可重构性的评价尺度:多样的星载控制装备造成故障可能发生的位置、种类和水平多样,而差别的航天义务也对应着差别的控制目的。以是,在制订故障后的重构目的时,既要思量故障装备的现实情形也要思量所需执行的义务目的,这给可重构性的评价带来了挑战。

(2)若何研究不确定模子的可重构性:卫星自己往往具有强耦合、强非线性和刚挠耦合等特点,加之强辐射、强滋扰等庞大的事情环境,使得卫星的数学模子难以正确确立。因而,处置具有不确定模子的卫星控制系统的可重构性是现在面临的一个主要的科学问题。

1.2.2单体卫星姿态系统的容错控制

容错控制手艺可以增强单体卫星对故障的容忍性能,对保证卫星姿态控制系统的稳固运行具有主要的意义。然而对于在轨卫星来说,系统内部不确定性、刚挠耦合特征、运行环境的庞大性,空间义务的多样性等内外部影响因素给容错控制器的设计带来一系列需要解决的科学问题:

(1)若何设计不确定环境下的容错控制器:系统参数不确定性、执行器故障和外界滋扰的影 响具有突发性和未知性,使得不确定的先验知识 难以正确获得,而现有的容错控制器多基于不确定的先验知识。因此,处置先验知识匮乏的卫星姿态控制系统的鲁棒性和容错性问题是一个需要解决的问题。

(2)若何处置卫星挠性特征:卫星在轨时代,挠性太阳帆板的振动对其姿态影响很大,存在刚挠耦合征象,主要的是振动模态通常不能丈量。现有的大多手艺均为针对刚性卫星,忽略了挠性特征带来影响,因此在综合思量挠性模态对控制器影响的靠山下,若何确立容错机制保证姿态稳固和跟踪性能是亟需解决的又一科学问题。

(3)若何备具快速响应性能:在轨卫星为知足实时义务的需求而需要提高系统的灵活速率,现在应用的手艺多为渐近收敛特征,导致灵活时间难以预先设计,这制约着相关手艺在卫星实时系统上的普遍应用,因此若何提升卫星姿态控制 系统容错控制的快速性问题是主要而紧迫的。

(4)若何划定暂态性能约束局限:在未知滋扰、输入饱和及执行器故障的靠山下,传统方式仅限剖析控制稳态性能,对收敛历程的暂态性能少有关注,这有可能因姿态角过大导致失控征象。因此,在研究卫星姿态控制系统的容错性问题的同时,若何划定动态收敛历程的暂态性能,保证系统的稳固性和平安性也需要保持关注。

1.2.3多卫星编队容错控制

随着太空义务和系统庞大水平不停增添,单体卫星往往无法知足现实义务需求,因此卫星编队控制问题引起了普遍的关注。而卫星系统规模的增大使得系统内部任何一个环节的故障都可能损坏系统的稳固性,带来不能预估的平安隐患和经济损失。义务的多样性、编队系统结构的庞大化以及制造维修成本的控制给卫星编队系统的容错控制手艺带来了极大的挑战,详细有如下科学问题:

(1)编队中的卫星需要凭据差别义务需求对自身位置和姿态不停举行调整,因此卫星间的信息交互和协同控制极为要害。差别编队系统中,子系统的通讯方式差别,若何选择容错控制方案实时抵偿故障影响而制止故障在子系统间流传是 主要思量的因素。

(2)若故障严重甚至部门子系统彻底损坏时,传统的容错控制方案往往无能为力。若何设计新的容错方案使得编队系统在严重故障下仍能完成指定编队义务需要进一步研究。

(3)为了降低卫星的制造成本,增添卫星的有用载荷,部门卫星编队系统在制造中会去掉部门丈量装备和传感装备。在设计有用的容错控制方案使得编队系统稳固时,若何同时控制卫星的制造成本并增添有用载荷也值得探讨。

1.3本文的结构放置

本文着重归纳卫星姿态系统的容错控制手艺 生长情形,主要从姿态系统的可重构性、单体卫 星容错和卫星编队容错三个方面举行论述和剖析。最后给出了总结和对未来研究的展望。

0 2

卫星姿态控制系统的容错控制

图 2 卫星姿态系统容错控制研究框架

容错控制理论研究与其工程应用相辅相成、互为促进,本文将从卫星姿态控制系统的可重构性、单体卫星姿态系统容错控制和多卫星编队容错控制三个方面举行总结。图2对上述三个方面的主要研究偏向或研究方式举行了集中归纳,下面将对详细的研究功效睁开先容。

2.1卫星姿态控制系统可重构性

针对卫星姿态控制系统的可重构性研究面临 的制订评价尺度和处置模子不确定性的科学问题,本节从重构目的和系统功效要求两个角度对现有的可重构性研究举行讨论。

2.1.1基于重构目的的可重构性研究

凭据重构目的的差别,可重构性的评价尺度也不唯一。就卫星姿态控制系统而言,重构目的通常分为完全重构目的、部门重构目的和平安重构目的。其中,平安重构目的是指故障后的卫星放弃既定的义务,在一定的平安局限内运行,这意味着卫星无法自主处置故障,是一种退而求其次的选择。因而,现在的相关研究主要集中于前 两种重构目的。

完全重构目的是指故障发生后,系统在性能不下降的条件下完成既定的义务,这种重构目的多见于义务要求严酷的卫星系统,如侦探卫星的姿态跟踪。这就要求故障后的系统依然能够实现状态间的随便转移,故该类重构性研究的工具是故障系统的剩余能控性。由于线性模子简朴、相关的能控性理论较为成熟,现在相关研究主要集中于线性方式,尤其是基于线性系统能控性的格兰姆矩阵的评价方式[18][19]。

如文献[20]针对以线性系统、线性切换系统、线性互联系统建模的系统,剖析了故障后的剩余可控性及控制能耗,给出了连系概率指标的可重构性结论。而针对以非线性系统建模的卫星姿态系统的可重构性研究的实验可见文献[21],其思量执行器故障,用微分几何的方式剖析故障系统的全局能控性和小时间局部能控性,从而评估系统的可重构性。

部门重构目的允许故障系统降级完成既定义务,此时不需要对卫星的姿态完全能控,而只需保证系统的稳固性,以便继续完成义务,如行使 星载敏感器来替换失效的陀螺仪举行卫星定姿。文献[22]行使Lyapunov函数剖析法给出了执行器故障下的可重构条件,并将其应用于卫星系统的对接问题。文献[23]引入与Lyapunov方程相关的履历能控性格兰姆矩阵方式,对基于这一重构目的的可重构性举行了研究。

可见,上述可重构性研究方式着眼于卫星姿态控制系统的固有结构属性,存在两个不足:

1) 未思量系统的详细控制目的与功效要求;

2)需 要正确的卫星模子。针对上述两方面不足,部门学者从系统功效要求入手,对可重构性举行了研究。

2.1.2基于系统功效要求的可重构性研究

基于系统功效要求的可重构性方式将组成系 统的组件根据功效属性分类,通过剖析具有特定 功效属性的组件的冗余度,量化该功效的可重构性。由于这类方式不需要确立正确的动力学模子, 许多研究事情将其用于卫星这类庞大系统。文献[24]引入键合图工具,从系统的结构特征出发,对执行机构、传感器和装备故障下的可恢复性条件举行剖析。文献[25]行使晶格构型图对每种执行器、传感器设置的故障举行了评估,从而得出故障系统可重构性结论。文献[26]基于函数目的模子,对以线性系统建模的卫星控制系统的可重构性举行了研究,引入主要度因子、风险因子评价对种种故障的可重构性举行评价。

虽然这类对系统数学模子的依赖水平较低,具有实用性强的特点,且适用于功效庞大、多冗余的系统,但现实方式设计往往对专家履历有一定要求,且方式模子庞大度和运算量都随着系统庞大度的提升而升高。

2.2单体卫星姿态系统的容错控制

在轨卫星历久事情在庞大多变的太空环境中,姿态控制系统难免会发生执行器故障,而容错控 制手艺可以显著增强单体卫星的可靠性和平安性,针对弁言中提到的四个科学问题,本文有针对性 的从基于自适应手艺、滑模理论、预设性能、滋扰观察器和故障估量观察器五个主要手艺范围睁开详细的讨论与剖析。

2.2.1基于自适应手艺的刚性卫星姿态系统故障抵偿

自适应控制方式以在线调治控制系统参数来适应环境的转变,比起鲁棒控制、滑模控制等,其优点是自学习能力。卫星在轨运行环境较为庞大,易引发参数不确定性和未知的执行器故障,在没有先验知识的情形下,行使自适应手艺对卫星系统中的不确定性举行估量、抵偿,保证在未知细小故障、甚至较严重故障影响下系统的稳固 运行。由此可见,自适应控制手艺相较于传统控制手艺,在一致情形下以其更强的参数适应性可获得控制精度更高、鲁棒性更强的控制性能。

针对空间滋扰和执行器故障等问题,自适应手艺在卫星姿态控制系统的研究中已经获得大量应用。文献[27][28]设计了自适应故障抵偿控制器,在保证系统稳固的同时控制卫星姿态根据特殊的参考信号举行姿态灵活。为解决系统状态未知、执行器故障和输入饱和的姿态跟踪问题,文献[29]设计卫星姿态系统的模糊自适应输出反馈容错控制器,引入模糊自适应观察器估量未知状态,连系反步法和自适应手艺实现了对参考轨迹 的稳固跟踪。文献[30]思量角速率受到约束和执行器发生失效故障和误差故障的情形,连系指令滤波和自适应手艺实现容错控制,保证无故障及不确定性先验知识下的一致有界跟踪。文献[31] 思量执行器发生失效和失控多重故障,设计了自适应执行机构直接抵偿的方案,在没有先验知识 情形下处置控制增益矩阵的不确定性,保证系统跟踪误差的全局稳固性。此外,为解决卫星系统输入约束、执行器故障及滋扰影响下的对接问题, 文献[33]设计了自适应非线性状态反馈控制器,确保在无需滋扰和故障等不确定先验知识的情形下闭环系统的有界稳固性,保证了对接义务的顺遂完成。

随着智能控制手艺的成熟,引入神经网络模 块可实现对故障有用的实时估量。文献[34]针对刚性航天器卫星系统执行器故障和输入饱和的情形,行使径向基神经网络实现对故障及滋扰信息的实时估量,进而基于估量信息设计了带自适应参数的变结构控制器,保证了姿态系统优越的容错性和轨迹跟踪性能。

可以发现,基于自适应手艺的刚性卫星姿态系统的容错控制研究功效较为厚实,借助人工智能手艺或自适应估量手艺对滋扰、故障及模子不确定性的有用估量进一步提高了重构控制器的控制性能。

2.2.2基于自适应手艺的挠性卫星姿态系统故障抵偿

当卫星系统带有挠性附件时,如带有大面积抛物线挠性天线和较长的太阳帆板时,其动力学 则与刚体卫星差别,出现挠性特征。卫星在轨时代,挠性太阳帆板的振动对其姿态影响很大,且振动模态因不能丈量又给卫星系统带来很大的不确定性。因此在构建姿态控制系统的容错机制的同时,需要思量挠性模态对控制器的影响,确立挠性处置模块,以保证姿态稳固和跟踪性能,知足义务的需求。

对反作用飞轮驱动下挠性卫星的控制增益矩阵和振动模态的不确定性举行参数化处置,行使自适应估量参数设计抵偿控制器可使系统具有优越的自稳固性能,实现对执行器失控故障有用抵偿的同时还具有对飞轮转动以及外部滋扰优越的鲁棒性能。

譬如,文献[35]对包罗系统动力学、控制增益矩阵以及太阳帆板振动模态的不确定性举行了参数化设计,行使自适应方式对不确定参数举行在线估量;然后行使估量参数设计自适应故障抵偿控制器,保证挠性系统的稳固性和渐近跟踪性能。因此,由存在的挠性太阳帆板转动、燃料消耗等使得卫星系统转动惯量发生转变及执行器突发故障等情形引发姿态系统的参数不确定问题,可行使自适应头脑,在线估量未知工具参数, 行使估量参数设计控制器实现不依赖系统的参数化设计。

为抑制刚性和挠性附件之间的耦合效应,文献[36]接纳了刚体-挠性一体化设计的方式,接纳齐次系统理论对动力学模子举行化简,忽略掉挠性驱动卫星姿态运动学和动力学之间的高阶耦合项,设计自适应观察器获取挠性信息,后连系反步控制的头脑,实现了带有执行器故障的挠性卫星姿态和角速率的镇静控制。该方式无需在挠性附件上附着执行机构,仅通过卫星系统自身的助力器,就可以实现对挠性附件引起的弹性震惊的有用抑制。与之相对的,当挠性附件上增添了执行机构,可接纳互联系统的设计头脑实现控制目的[37]。

可以发现,对挠性卫星的自适应容错控制功效不多,而且设计头脑多行使自适应手艺实现对含挠性不确定、故障等信息的估量,均为被动容错,这就可能泛起因估量过大即守旧性问题,带 来的能量消耗征象,现在对此还未有统一的研究框架,还需连系卫星现实工程应用做进一步探讨。

2.2.3基于滑模控制理论的卫星姿态系统容错控制

滑模控制手艺对处置不确定滋扰及先验故障具有很强的鲁棒性,这些因素与在轨卫星面临的庞大恶劣环境相吻合,因此滑模控制被普遍应用 于卫星姿态系统控制问题,有用地处置了卫星姿态系统的强耦合、非线性特征,并保持对滋扰、模子不确定性的不敏感,尤其是对处置卫星姿态系统发生故障时的情形更为有用。

此外,滑模控制手艺可使卫星姿态系统在质量漫衍发生缓慢转变及执行器严重故障的情形下继续保持稳固状态。譬如,文献[38]思量有执行器故障和惯性参数不 确定的情形,设计分数阶滑模面,连系李雅普诺夫理论和反步法设计被动容错控制律,实现姿态 跟踪误差的渐近收敛。为实现自动容错,文献[58]连系故障诊断模块和非线性积分滑模面,设计了自动容错控制律,同样实现跟踪误差的渐近收敛。

然而,传统滑模控制虽然保证了系统的鲁 棒性和容错性,但无法提供有限时间误差收敛特征,这很大水平上制约着滑模控制在卫星实时系统上的普遍应用。为提高收敛速率同时制止奇异征象,有限时间和固准时间滑模面被大量学者所研究,并初具功效。以下将划分就这两方面在刚 性卫星姿态系统上的研究情形睁开先容。

刚性卫星的滑模容错控制:

(1)有限时间控制:前述文献均实现姿态渐近收敛,导致其收敛时间无法估量,这可能无法知足于卫星姿态稳固与灵活时间上的需求。为使姿态系统具有优越的鲁棒性、容错性和快速收敛性,文献[39]行使有限时间理论和非奇异终端滑模控制手艺设计了被动容错控制器,使得卫星姿态系统具有了收敛快、精度高和抗滋扰能力强等特征,更好地知足卫星执行义务的实时性需求。

文献[40]则连系了反步法和有限时间理论实现卫星姿态系统的有限时间容错跟踪。与[39][40]差别的是文献[41]则引入有限时间观察器,对包罗故障信息的庞大不确定项设计了有限时间扩展状态观察器,之后连系非奇异快速终端滑模控制 手艺重构控制器确保闭环系统在有限时间内抵达滑模面并保持稳固收敛。文献[42]连系积分终端 滑模和自适应手艺,设计了一种鲁棒自适应滑模控制器,保证姿态系统受到不确定性和执行器故障的情形下,对跟踪指令的有限时间跟踪。针 对姿态跟踪系统,文献[43]进一步组织了一种快速收敛的时变滑模面,使系统在受模子不确定性、执行器故障及外界滋扰的影响情形下依旧保持快速、正确的位置跟踪性能。

此外,模糊系统具有强非线性迫近能力,有学者将其应用于卫星姿态系统故障、滋扰及模子不确定性的迫近。譬如文献[44]行使模糊逻辑来迫近卫星系统的含故障和滋扰等的庞大非线性项,然后连系PID非奇异快速终端滑模面和自适应反步法获得了被动容控制器,实现快速暂态响应、小稳态误差和非奇异特征的有限时间姿态跟踪控制。虽然行使人工智能的非线性迫近能力举行容错控制是一个对照有远景的研究偏向,但其盘算法量较大的坏处也在一定水平上影响了其在现实 卫星系统上的实时应用。

(2)固准时间控制:为具有固准时间收敛的优越性能,学者在文献[39]-[44]有限时间控制 的基础上,进一步探讨了基于滑模控制理论的固准时间控制方式在卫星上的应用问题,以期制止收敛时间对系统初始状态的依赖。譬如,为实现姿态系统的受执行器饱、执行器效率损失和加性故障影响下的固准时间稳固性,文献[45]设计了固准时间滑模面,对不确定上界加以自适应机制 举行估量,保证了闭环系统的稳固性。

为实现姿态跟踪误差的快速收敛和收敛时间可划定的性能,文献[32]也将航天器卫星姿态系统的有限时间控制提升到固准时间控制,连系固准时间滋扰观察器和积分滑模面,设计了固准时间收敛律,实现卫星姿态系统在执行器故障及不确定性影响下的固准时间姿态跟踪控制。文献[46]提出了一种新型的非奇异固准时间滑模面,在有用制止了奇异值问题的同时也确保了收敛时间与系统初始状态的不相关特征,在卫星姿态系统受到执行器故障和输入饱和影响的情形下,确保姿态跟踪误差在全局局限内的固准时间收敛。

为保证卫星系统对接义务的顺遂完成和收敛时间的可设计性,文献[47]思量了对接义务历程中的固准时间容错控制问题,在有、无外界滋扰的环境下,思量执行器发生增益损失故障,借助于一种新型的固准时间 滑模面实现控制律的设计,保证了闭环系统的固 准时间稳固性,并乐成实现了预期的对接义务。

由此可以得知固准时间控制手艺是一种时间 最优的非线性控制方式,其优越性不仅仅在于同样条件下收敛速率更快,而且其抗滋扰能力和容错性能更强,在深空探测响应速率和稳固性能现实需求的靠山下,固准时间控制无疑是最佳的选用方式之一。

挠性卫星的滑模容错控制:

近年来,针对受外界滋扰、参数不确定性、未知惯量矩阵及执行器故障影响的挠性卫星姿态问题,海内外有学者应用滑模控制理论解决跟踪控制问题,设计挠性模态变量、故障信息和不确定扰动的估量或迫近模块,连系变结构控制对不确定项的处置能力实现期望姿态全局渐近跟踪效果。

现在,滑模控制在挠性卫星姿态系统的应用上还未有太多的功效,文献[48]针对存在外部滋扰、不确定甚至时变转动惯量的挠性卫星姿态系统,提出了一种改进型自适应滑模容错控制方案,实现对执行器卡死和失效两种故障的容错控制。文献[49]思量挠性卫星在模子不确定、外部滋扰和执行器故障影响下的姿态跟踪控制问题,在无需故障诊断模块的条件下,连系自适应估量和滑模控制理论实现误差的一致有界稳固。

除对庞大不确定项设计自适应估量机制外,智能估量也有所应用,譬如文献[50]面临挠性不确定影响、执行器故障及系统刚性部门不确定性的存在,引入神经网络对该庞大不确定项举行在线估量,之后设计自适应滑模容错控制器举行抵偿,仿真实验验证了该头脑的有用性。

可以发现,文献[48]-[50]对不确定的实时估量均消除了对上界已知的依赖,保证了挠性卫星航天器的在轨运行的鲁棒性和容错性。但在挠性卫星航天器的姿态滑模控制问题上,收敛时间的问题还未解决,已有控制器均是实现渐近收敛,因此该问题还需获得进一步的解决。

2.2.4基于预设性能的卫星姿态系统容错控制

卫星姿态系统在未知滋扰、执行器故障、参数不确定和输入饱和的情形下,通过对误差信号的转换及控制器的设计,使得跟踪误差保持划定的暂态和稳固性能,并能够收敛于设定的随便小的领域。该方式对未知滋扰、执行器故障及转动惯量不确定性具有不敏感性的同时还具有高可靠 性和稳固性,主要的是可以确保姿态系统快速的响应和正确的跟踪性能。

预设性能方式在卫星容错控制领域功效鲜见,文献[51]较早地实验在执行器故障及存在输入饱和情形的卫星姿态系统里运用基于预设性能的控制方式,将跟踪误差通过一种新型的误差转化机制转换为一种等效的有界状态,并进一步连系反步法和自适应手艺设计了基于预设性能的被动容错控制器,确保了卫星姿态跟踪误差在划定局限内的渐近收敛。文献[52]在[51]的基础上进一步引入了指令滤波器,用以抵偿执行器饱和带来的负面影响,同样行使自适应反步法设计了被动容错控制器,实现预定收敛轨迹。

为了削减星上信息通报的肩负,文献[53]引入事宜触发机制,制止连续的信息通报,然后行使预设性能和反步法设计了容错跟踪控制器,对不确定项设计自适应估量机制,实现卫星姿态稳固跟踪。为了进一步实现对包罗飞轮故障及滋扰等庞大不确定信息的正确估量,文献[54]将滋扰观察器和预设性能控制方式举行了连系,将观察器的实时观察值引入基于动态面设计的控制器中,实现对故障和滋扰的有用抵偿,并实现跟踪误差的给定轨迹收敛。

可以发现,基于自适应、滑模控制理论的容 错控制方式仅限于剖析控制系统的稳态性能,然而当卫星发生执行器故障的时刻,可能导致其姿态角超出平安局限,进而泛起失控的情形。随着预设性能看法的引入,接纳性能函数形貌预设性能约束,将有误差约束的跟踪问题通过特定的误差转换变为无约束的镇静问题,可使系统的动态历程知足划定约束,保证系统的稳固性和平安性。但对基于预设性能的卫星容错控制问题的研究还仅仅处于起步阶段,功效很少,还需继续做深入研究。

2.2.5基于滋扰观察器的鲁棒容错控制

通过设计滋扰观察器实现滋扰估量并反馈给重构控制器到达对滋扰抵偿的目的,同时可以减小容错控制器的守旧性。此外,滋扰观察器的设计历程相较自适应估量算法简朴、盘算量和结构简捷,适合在盘算能力和空间受约束的卫星上应用。现在,基于滋扰观察器的容错控制方式在卫星容错问题上正获得日益普遍的关注。

思量到卫星受执行器故障和滋扰的影响,文献[55]首次引入有限时间滋扰观察器,之后行使滋扰观察值重构控制器,连系积分滑模容错控制理论设计了有限时间被动容错控制器,实现卫星姿态闭环系统的稳固。相较于文献[55],文献[56]设计了一种鲁棒非线性滋扰观察器进一步改善了重构控制器对滋扰的鲁棒性,连系自适应和非奇异快速终端滑模控制手艺实现有限时间姿态跟踪控制。

文献[54]连系非线性扩展状态滋扰观察器和预设性能的方式设计被动容错控制器,进一步改善了姿态控制系统的暂态性能。为提高滋扰观察误差的收敛速率,文献[32]设计了固准时间滋扰观察器确保观察误差的固准时间收敛。为抵偿非匹配滋扰带来的不良影响,文献[57]设计了一种新型的非线性观察器,连系所设计的滑模故障观察器和滑模容错控制器实现对非匹配滋扰和故障的抵偿,保证了卫星姿态系统的稳固性。

可以发现,针对滋扰问题滑模控制是行使高 控制增益获得鲁棒性,这一定带来无法完全消除的抖振问题,而通过行使滋扰观察器给出系统未知滋扰、故障、未建模动态的不确定观察器,可抑制滑模抖振问题、有用降低控制器输出力矩,防止执行机构饱和,这对在轨资源有限的卫星系统来说显得尤为主要。现在在卫星姿态控制系统上行使滋扰观察器来设计容错控制器的头脑已经获得响应的研究功效,尤其是固准时间观察器的应用可显著提升卫星系统对滋扰的观察效率,进一步提升控制器的控制效果。

2.2.6基于故障估量观察器的自动容错控制

基于故障估量观察器的自动容错手艺是接纳一个转变的控制结构或控制形式,在故障发生后需要连系故障诊断和辨识模块重新调整控制器参数,进而改变控制结构,因此依赖于故障诊断模块的正确故障观察值。行使观察值重构控制器可更好地解决被动容错控制中的守旧性问题,此外,自动容错设计方式、手段多样化,连系差别的诊断和控制方式将会获得差别的容错控制器,现在在卫星系统上已有差别代表性功效,下面将对此睁开先容。

现在,自动容错手艺在卫星姿态控制系统中已有不少代表性的功效。例如,文献[58]思量卫星姿 态系统执行器故障情形,基于多模子方式,设计了无迹卡尔曼滤波器实现对未知故障参数的正确估量,之后行使滤波器信息连系PD控制器实现对姿态系统的镇静控制。文献[59]设计了一种自适应非线性故障估量观察器,然后行使观察信息进一步连系反步法和自适应手艺设计了自动容错控制器,保证姿态系统的渐近稳固。

迭代学习观察器在文献[60]中被用来设计故障诊断模块,实现对时变故障的快速估量,然后行使观察信息设计了基于滑模控制手艺的卫星姿态系统有限时间镇静控制器。文献[61]设计了故障检测与辨识模块,基于该模块引入虚拟控制量设计了反步法容错控制器,该方式不只具有优越的容错性而且也弥补了执行器饱和及可能存在的故障估量误差带来的影响。

自适应滑模观察器在文献[62]中被用来观察卫星姿态系统执行器的乘性和加性故障值,并连系快速终端滑模控制方式实现闭环系统的稳固,其中外界滋扰引入神经网络举行迫近,仿真验证了该方式具有优越的镇静和跟踪性能。文献[63]中提出了一种基于参数自适应观察器的自动容错控制方案,行使该观察器可实现有外界滋扰情形下的故障估量,而且具有有限时间收敛特征,之后行使故障观察信息和积分滑模控制手艺设计了姿态跟踪控制器,保证卫星姿态跟踪误差的渐近收敛。

可以发现,基于故障估量的自动容错控制手艺在卫星姿态系统上的研究功效也相对颇丰,对故障参数值的有用估量保证了自动容错控制器具有优越的控制性能。

关于对上述五种容错控制方式性能的对照,请见表1。

表1单体卫星姿态系统容错控制方式对比

2.3多卫星编队容错控制

面临越来越庞大的空间义务,单体卫星航天器系统已经无法知足需求。卫星航天器编队系统 [64-66]由多个自力的卫星组成,各卫星通过星载通讯装备与其他卫星举行信息交互,能够突破单体卫星系统的局限,完成单体卫星无法完成的义务。然而,卫星编队系统中任何一个部件发生故障都有可能带来伟大的损失,甚至造成无法挽回的效果,因此对卫星编队系统举行容错控制研究具有主要的理论研究意义和工程应用价值。沿着2.2节论述的容错思绪,当编队系统中的卫星发生故障,一个自然的想法就是调治故障卫星的控制器,而多卫星的存在为容错控制提供了更厚实的手段。针对弁言中提到的三个科学问题,下面将从自力容错、协同容错、拓扑重构和组成重构四个角度划分论述编队容错控制的思绪和方式。

2.3.1基于卫星个体控制的自力与协同容错

针对若何实时抵消故障对卫星编队系统影响的这个问题,本小节划分从重构故障子系统自身控制器和重构所有子系统控制器这两个角度,介 绍了现有文献里卫星编队系统的两种容错控制方案,并对其制造成本和有用载荷举行了讨论。

自力容错:当某个卫星发生故障时,调治该故障卫星自身的控制器来抵偿故障对该卫星的影响,这种头脑称之为自力容错,是2.2节容错思绪的直接应用。文献[67]针对执行器故障下的串联式绳系卫星系统,只针对故障卫星重构其控制器,且所有卫星接纳涣散式结构举行控制器设计,即只行使自身状态信息和自身故障信息来维持系统稳固。当整个系统之间的耦合知足小增益条件时,故障下的系统稳固性就能够获得保证。接纳涣散式控制结构使得子系统不需要分外的丈量装备和传感装备去获取其他子系统的信息并,因此降低了卫星的制造成本,增添了卫星的有用载荷。文献[33]针对由2个卫星组成的编队中存在的交会对接问题,当追随者执行器受到外部扰动和发生部门失效故障时,仅重构追随者自身的控制器来抵偿故障的影响,完成交会对接义务。

协同容错:由于多体卫星之前存在耦合,从 多体卫星全局出发,充分行使康健子系统信息、故障子系统信息和耦合机制来举行协同容错控制也是一种有用的手段。

文献[68]针对主从结构下的多体卫星系统跟踪控制问题,每个子系统行使毗邻子系统状态信息和故障信息,设计鲁棒控制器从而来抵消执行器故障对整个编队系统的影响。

文献[69]划分思量了有向通讯和无向通讯下的卫星编队容错控制问题,当某个卫星发生执行器故障时,同时重构康健卫星和故障卫星的控制器,接纳自适应终端滑模控制方案通过协同作用来抵偿执行器故障和外界扰动的影响,实现了卫星编队的有限时间姿态一致。

文献[70]针对多柔性航天器系统,也接纳类似的头脑,各子系统用漫衍式的控制器结构通过协同控制来抑制系统参数不确定性和执行器故障对系统跟踪性能的负面影响。在协同容错方案中,接纳漫衍式结构的容错控制器要求子系统能够获取并行使其毗邻子系统状态信息,其丈量仪器和传感器数目要多于涣散式控制结构下的仪器数目,因此制造成本更高,有用载荷更少;而接纳集中式结构的协同容错控制方案,实在现成本最高,不适用于大规模编队系统。

2.3.2面向网络层面的拓扑和组成重构

自力与协同容错方式着眼于调治正常和故障航天器的控制器。除此之外,若部门子系统发生严重故障甚至完全损坏时,从编队系统的网络层面思量基于拓扑和组成重构的容错机制,也是一种行之有用的思绪。

拓扑重构:一旦多体卫星之间泛起网络通讯故障,上述两种容错控制头脑就存在局限性。网络通讯故障可能导致子系统之间的通讯发生中止,因此原有的通讯拓扑结构就被损坏,新的通讯需要天生,卫星之间的拓扑结构需要举行重构,该容错控制头脑即为拓扑重构。

文献[71]针对深空多体卫星编队控制问题,一旦某两个卫星之间的视距丈量系统发生故障,它们之间原有的通讯失效,则整个编队系统就改变原有的通讯拓扑,发生通讯故障的系统通过中心的子系统来间接获取相对位置信息,选择最优的间接通讯方式重新实现编队完成空间义务。

文献[72]针对卫星编队的一致跟踪问题,思量某个卫星执行器的失效故障,通过改变虚拟领航者和跟随者之间的拓扑通讯方式,切断和新增部门子系统之间的通讯,保证了故障和受扰动下的系统稳固性。

组成重构:上述三种容错控制方案都是基于 多卫星系统结构完整的情形下举行容错控制,然则一旦某个卫星发生严重故障从而无法继续介入编队完成空间义务时,则必须对多体卫星系统的组成举行重构。文献[73]针对一类多体卫星编队容错控制问题,接纳“即插即用”的头脑,使得故障卫星脱离编队或与新的正常卫星对接,来消除某个卫星故障对整个多体卫星编队系统的影响。该容错控制方案不需要重构任何单体卫星的控制器就能到达容错目的。编队系统组成的可变性为多体卫星的容错控制提供了更多的选择。

0 3

总结与展望

3.1总结

本文就卫星容错控制问题对海内外研究现状举行了归纳总结。主要是针对卫星姿态系统的容错控制问题从姿态系统的可重构、单体卫星容错控制及卫星编队容错三个方面临海内外手艺研究现况划分举行了汇总和剖析。

,科技前沿,

3.2展望

现如今,卫星姿态控制系统的容错控制已经取得了较为丰硕的研究功效,但为使卫星在太空事情历程中保持高质量的运行状态仍需在一些不足之处做进一步研究。针对未来可能泛起的新问题和新方式,本文也举行响应的展望:

1)故障系统的重构性研究

现在,卫星姿态控制系统的可重构性研究主要集中于定性剖析,量化效果较少。另一方面,由于卫星义务庞大,限制因素多,现在的可重构性研究效果通用性差,无法普遍应用于卫星控制系统。同时,针对故障系统的可重构性研究,思量的故障类型还不够厚实,仍需进一步完善。

2)卫星被动容错控制研究

现在存在的刚性/挠性卫星被动容错控制器多假设故障及滋扰存在上界,然后设计自适应估量率实现上界估量,基于估量的上界值进一步设计容错控制器。因此,这不能制止的造成控制器的守旧性,进而造成在轨卫星的能量损失从而导致卫星在轨寿命的削减。现在,还没有统一的针对守旧性问题的系统性研究框架,因此还需要对此做进一步研究。

3)挠性卫星容错控制研究

现有的容错控制器多为基于模子设计,以是对挠性卫星的正确建模就显得尤为主要,但现在建模相关的研究还不够深入,仍有待进一步研究,以实现正确建模。

4)卫星编队容错控制研究

卫星编队容错控制问题上主要面临两方面的挑战:现在研究的编队队形还不够厚实和编队容错航行历程中的避障问题还没有睁开系统性的研究。为解决编队队形的问题,未来可以思量更一样平常的卫星模子以及更多的编队队形以知足现实的空间义务需求。其次,未来可以从切换系统的角度来研究卫星编队航行中的容错及避障控制问题,整个避障历程可以看作是原切换系统的一种新模式,通过对切换律的修改来举行容错控制,该头脑具有一定的理论意义和潜在的现实应用价值。

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END

本文转载自“航空学报”,原题目《卫星姿态控制系统容错控制综述》,文 | 姜斌,张柯,杨浩,程月华,马亚杰,成旺磊

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