一種基于未知輸入觀測器的衛(wèi)星執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障診斷方法
【專利摘要】一種基于未知輸入觀測器的衛(wèi)星執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障診斷方法，能夠在不需要對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相關(guān)物理量進(jìn)行直接測量的情況下，實(shí)現(xiàn)不同通道動(dòng)量輪的故障隔離。該方法基本流程為：首先，建立用于描述執(zhí)行機(jī)構(gòu)和慣性敏感器之間輸入輸出關(guān)系的解析模型，選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障隔離策略；然后，根據(jù)結(jié)構(gòu)化殘差設(shè)計(jì)要求，將非目標(biāo)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障看作未知輸入，設(shè)計(jì)未知輸入觀測器，獲得與非目標(biāo)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障解耦的殘差，選取殘差的范數(shù)作為殘差評(píng)價(jià)值，并根據(jù)區(qū)間分析的方法得到相應(yīng)的閾值，進(jìn)而確定系統(tǒng)是否發(fā)生了目標(biāo)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障，完成該殘差的故障決策；最后，綜合各個(gè)殘差的故障決策結(jié)果，由故障分離策略確定系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障的具體位置。
【專利說明】一種基于未知輸入觀測器的衛(wèi)星執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于衛(wèi)星姿態(tài)控制領(lǐng)域，涉及一種基于未知輸入觀測器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代航天器大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，運(yùn)行時(shí)間長，在軌工作過程中極易發(fā)生故障。一旦發(fā)生故障，若不采取積極有效的措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)，很可能導(dǎo)致航天任務(wù)失敗，從而帶來巨大的資源浪費(fèi)和不利的社會(huì)影響。
[0003]作為構(gòu)成衛(wèi)星的各個(gè)分系統(tǒng)中最關(guān)鍵也是最復(fù)雜的一個(gè)分系統(tǒng)，衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的可靠性是星上多個(gè)分系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本保障。如遙測遙控分系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)與地面站的通信，要求天線指向正確的位置；能源分系統(tǒng)要保障正常的電力供應(yīng)，要求太陽帆板跟蹤太陽；對(duì)于對(duì)地觀測衛(wèi)星而言，有效載荷的正常工作要求衛(wèi)星進(jìn)行高精度高穩(wěn)定度姿態(tài)控制。因此，衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)能否正常工作往往關(guān)系到整個(gè)航天任務(wù)的成敗。
[0004]衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)由姿態(tài)敏感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和衛(wèi)星本體一起構(gòu)成閉環(huán)控制回路。基于姿態(tài)敏感器測量和確定衛(wèi)星相對(duì)于空間某些已知基準(zhǔn)目標(biāo)的方位；控制器對(duì)測得的信息進(jìn)一步處理后確定衛(wèi)星姿態(tài)，并根據(jù)所確定的姿態(tài)按滿足設(shè)計(jì)要求的控制律發(fā)出指令，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按控制指令產(chǎn)生所需的控制力矩，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)控制。衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的故障率較高且危害較大。
[0005]為了提高衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的可靠性，一方面，應(yīng)提高其組成部件如各敏感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制器等自身的可靠性，降低發(fā)生故障的可能性；另一方面，應(yīng)對(duì)關(guān)鍵部件采用冗余設(shè)計(jì)，并通過故障診斷技術(shù)消除或減弱故障造成的不利影響。
[0006]衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括飛輪、推力器、磁力矩器和重力梯度力矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)。一般采用一致性檢驗(yàn)的方法進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障診斷，如通過實(shí)測動(dòng)量輪角動(dòng)量的變化和指令角動(dòng)量變化的一致性檢驗(yàn)進(jìn)行故障隔離，但當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相關(guān)待測量不能輕易得到時(shí)，不適宜采用這種方法進(jìn)行故障診斷。為了解決執(zhí)行機(jī)構(gòu)一致性檢驗(yàn)所需要的相關(guān)量不易測量情況下衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障診斷問題，本發(fā)明提出一種基于未知輸入觀測器的衛(wèi)星控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障隔離方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于未知輸入觀測器的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障診斷方法。能夠在執(zhí)行機(jī)構(gòu)一致性檢驗(yàn)所需要的相關(guān)量不易測量的情況下，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障隔離。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0009]一種基于未知輸入觀測器的衛(wèi)星執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障隔離方法，步驟如下:
[0010](I)建立用于描述星載的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和慣性敏感器之間輸入輸出關(guān)系的故障診斷模型，確定故障隔離策略；[0011]衛(wèi)星執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障隔離的診斷模型為:
[0012]
【權(quán)利要求】
1.一種基于未知輸入觀測器的衛(wèi)星執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障診斷方法，其特征在于步驟如下: (1)建立用于描述星載的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和慣性敏感器之間輸入輸出關(guān)系的故障診斷模型，確定故障隔離策略； (2)根據(jù)步驟(1)中的系統(tǒng)故障隔離診斷模型確定基于未知輸入觀測器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障隔離殘差生成器； (3)根據(jù)步驟(2)中的殘差生成器，計(jì)算殘差評(píng)價(jià)值與相應(yīng)的閾值，并確定殘差的故障決策關(guān)系; (4)重新選定未知輸入矩陣，重復(fù)執(zhí)行步驟(2)-(3)，得到一組殘差的故障決策結(jié)果，根據(jù)步驟(1)中確定的廣義殘差組S.，確定發(fā)生故障的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于未知輸入觀測器的衛(wèi)星執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障診斷方法，其特征在于:所述步驟(1)衛(wèi)星執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障隔離的診斷模型為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于未知輸入觀測器的衛(wèi)星執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障診斷方法，其特征在于:所述步驟(2)基于未知輸入觀測器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障隔離殘差生成器為:
z{k + I) = Fz(k) + TBu(k) + Ky(k)
< x(k) = z(k) + Hy(k) r(k) = (l-CH)y(k)-Cz(k) 其中，i(々)表示動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)狀態(tài)量的估計(jì)值，r(k)表示殘差，z(k)是中間變量，F(xiàn)、T、K、H表示相關(guān)的參數(shù)矩陣,滿足以下條件 (1-HC)Fa=M T=1-HCF=TA-K1C
K2=FH
K=KJK2 其中，F(xiàn)a表示故障輸入矩陣，其列向量由故障向量fj組成，i=l,-,Na,且滿足
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于未知輸入觀測器的衛(wèi)星執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障診斷方法，其特征在于:所述步驟(3)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障隔離的殘差評(píng)價(jià)值計(jì)算方式如下:
Juio, r(k)= I r (k) | 其中，Juio,r(k)表示用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障隔離的殘差評(píng)價(jià)值； 與執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障隔離的殘差評(píng)價(jià)值相對(duì)應(yīng)的閾值計(jì)算方式如下: 闡值
【文檔編號(hào)】G05B23/00GK103676918SQ201310718816
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】邢琰, 王大軼, 何英姿, 熊凱 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所