專利名稱：一種用于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的傳感器容錯(cuò)觀測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航天器故障診斷與容錯(cuò)控制領(lǐng)域，特別是一種面向衛(wèi)星姿 態(tài)控制系統(tǒng)傳感器故障的容錯(cuò)觀測(cè)器方法。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)作為一種典型的動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)，是決定衛(wèi)星在空 間正常運(yùn)行的重要部件之一。由于航天工程領(lǐng)域的特殊性，使其可靠性要 求極高，系統(tǒng)中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都有可能影響整個(gè)系統(tǒng)安全，因此 對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)并在出現(xiàn)故障時(shí)保障系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行 (即完整性)是必不可少的。對(duì)于一般控制系統(tǒng)而言，系統(tǒng)可供監(jiān)測(cè)信號(hào) 主要為控制輸入與測(cè)量輸出，為了實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋控制或基于狀態(tài)構(gòu)成殘差 進(jìn)行診斷，通常采取模型觀測(cè)器方法基于控制輸入與測(cè)量輸出跟蹤系統(tǒng)狀 態(tài)。對(duì)于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)，由于受星上條件限制，其冗余敏感器資源較 少，測(cè)量輸出量之間存在解析冗余關(guān)系，因而將傳統(tǒng)模型觀測(cè)器方法用于 姿態(tài)狀態(tài)觀測(cè)時(shí)，會(huì)存在部分敏感器故障容易導(dǎo)致觀測(cè)失效的問(wèn)題。觀測(cè) 失效會(huì)引起狀態(tài)跟蹤不正確，進(jìn)而導(dǎo)致閉環(huán)反饋不穩(wěn)定，當(dāng)然也就無(wú)法利 用剩余正常傳感器進(jìn)行故障隔離以保證系統(tǒng)的完整性。因而，設(shè)計(jì)一種容 錯(cuò)觀測(cè)器方法——當(dāng)閉環(huán)控制系統(tǒng)由于部分傳感器故障導(dǎo)致輸出不可靠 時(shí)，這種觀測(cè)器仍能利用剩余正常傳感器的輸出觀測(cè)獲得部分狀態(tài)量，進(jìn) 而保障系統(tǒng)穩(wěn)定并實(shí)現(xiàn)部分診斷功能。對(duì)于提升衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的容錯(cuò)性能，節(jié)省傳感器硬件冗余資源，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。
目前，為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)傳感器故障的容錯(cuò)觀測(cè)，存在兩類途徑一、 基于故障估計(jì)補(bǔ)償?shù)姆椒?；二、基于線性變換的方法。第一類方法基于對(duì)
故障殘差的估計(jì)補(bǔ)償系統(tǒng)狀態(tài)，因而故障必須限定為特定故障，且必須是 精確實(shí)時(shí)的估計(jì)，實(shí)時(shí)估計(jì)的前提是觀測(cè)器中對(duì)故障及模型的描述都必須 是精確的。對(duì)于某些具有非線性特征的傳感器故障而言，其建模過(guò)程本來(lái) 就很復(fù)雜，且還必須滿足先辨識(shí)故障大小的前提，因而這類方法不適用于 非確定型及復(fù)雜傳感器故障的容錯(cuò)觀測(cè)。第二類方法的主要思想是先將系 統(tǒng)線性變換為等價(jià)三角形或可進(jìn)行能觀測(cè)子系統(tǒng)分解的形式，針對(duì)新系統(tǒng) 中的子系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)器設(shè)計(jì)，使得觀測(cè)器輸出跟故障傳感器的輸出解耦， 因而可以跟隨系統(tǒng)的部分狀態(tài)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)觀測(cè)。若將原系統(tǒng)變換后進(jìn)行 能觀子系統(tǒng)觀測(cè)器設(shè)計(jì)，如奉獻(xiàn)觀測(cè)器方法，雖然能滿足檢測(cè)出傳感器故 障殘差的要求，但不一定滿足整個(gè)原系統(tǒng)故障條件下的閉環(huán)反饋穩(wěn)定，即 不能給出能控性及穩(wěn)定性的反饋約束條件，因而，只是實(shí)現(xiàn)了故障檢測(cè)與
隔離(FDD)，沒(méi)有考慮閉環(huán)的穩(wěn)定性。若將原系統(tǒng)變換為等價(jià)標(biāo)準(zhǔn)三角形 再進(jìn)行子系統(tǒng)的觀測(cè)器設(shè)計(jì)，如容錯(cuò)降維觀測(cè)器方法，雖然對(duì)傳感器故障 是何種類不敏感，但是進(jìn)行子系統(tǒng)分解的前提依據(jù)是必須知道是那個(gè)傳感 器輸出出現(xiàn)故障，針對(duì)故障傳感器輸出設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換矩陣，而且是針對(duì)開(kāi)環(huán)系 統(tǒng)的，對(duì)于反饋控制不適用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的傳感器容錯(cuò)觀測(cè)方法，既保持閉環(huán)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又具有高效的傳感器故障容錯(cuò)觀測(cè)效果。
一種用于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的傳感器容錯(cuò)觀測(cè)方法，具體為采用故 障診斷模塊對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行傳感器故障檢測(cè)隔離，若隔離結(jié)果判 定第一傳感器存在故障，則選擇第二KX觀測(cè)器進(jìn)行觀測(cè)，若判定第二傳 感器存在故障，則選擇第一KX觀測(cè)器進(jìn)行觀測(cè)。
所述第一KX觀測(cè)器按照如下方式生成以第一傳感器為正常、第二 傳感器為故障，將衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)變換分解為正常子系統(tǒng)和故障子系統(tǒng)，
分別根據(jù)針對(duì)正常和故障子系統(tǒng)構(gòu)建正常KX觀測(cè)器和故障KX觀測(cè)器，再 將正常和故障KX觀測(cè)器合并為第一 KX觀測(cè)器；
所述第二KX觀測(cè)器按照如下方式生成以第一傳感器為故障、第二
傳感器為正常，再按照與第一 KX觀測(cè)器相同的方式生成第二 KX觀測(cè)器。
所述第一 K X觀測(cè)器的生成步驟具體為 (1)系統(tǒng)分解步驟
對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行分解生成正常子系統(tǒng)i=4^+i 1"， 4為正常
子系統(tǒng)狀態(tài)變量S的導(dǎo)數(shù)A與正常子系統(tǒng)狀態(tài)變量s的線性系數(shù)，A為正常
子系統(tǒng)狀態(tài)變量^的導(dǎo)數(shù)來(lái)與正常子系統(tǒng)控制輸入變量u的線性系數(shù)，A為 第一傳感器測(cè)量輸出變量A與正常子系統(tǒng)狀態(tài)變量^的線性系數(shù)；
以及故障子系統(tǒng)^=4^^2" ， A為故障子系統(tǒng)狀態(tài)變量5的導(dǎo)數(shù)^與 故障子系統(tǒng)狀態(tài)變量^的線性系數(shù)，《為故障子系統(tǒng)狀態(tài)變量s的導(dǎo)數(shù)g與值，T表示矩陣轉(zhuǎn)置；
上述各系數(shù)滿足以下關(guān)系》2 = [A烏]
<formula>formula see original document page 9</formula>，ZpA，/j,(5p《，化，A，Jj')， 5為正常KX觀測(cè)器的狀態(tài)變量，w,為正常KX觀測(cè)器的輸出變量，《為 正常KX觀測(cè)器的狀態(tài)變量導(dǎo)數(shù)i,與狀態(tài)變量z,的線性系數(shù)矩陣，《為正常 KX觀測(cè)器的狀態(tài)變量導(dǎo)數(shù)^與第一傳感器測(cè)量輸出變量A的線性系數(shù)矩 陣，^為正常KX觀測(cè)器的狀態(tài)變量導(dǎo)數(shù)A與正常子系統(tǒng)的控制輸入變量 u的線性系數(shù)矩陣，化為正常KX觀測(cè)器輸出變量^與正常KX觀測(cè)器狀 態(tài)變量^的線性系數(shù)矩陣，^為正常KX觀測(cè)器輸出變量^與第一傳感器測(cè) 量輸出變量力的線性系數(shù)矩陣；《為約束《，A，A，M，A系數(shù)矩陣之間數(shù)值關(guān) 系滿足KX觀測(cè)器條件的中間系數(shù)矩陣； (3)故障KX觀測(cè)器的生成步驟 針對(duì)故障子系統(tǒng)構(gòu)建故障KX觀測(cè)器
為故障KX觀測(cè)器的狀態(tài)變量，^為 故障KX觀測(cè)器的輸出變量，,2為故障KX觀測(cè)器的狀態(tài)變量導(dǎo)數(shù)i,與狀態(tài)變量^的線性系數(shù)矩陣，《為故障KX觀測(cè)器的狀態(tài)變量導(dǎo)數(shù)^與故障觀測(cè) 器輸出變量"2的線性系數(shù)矩陣，《為故障KX觀測(cè)器的狀態(tài)變量導(dǎo)數(shù)i2與 故障子系統(tǒng)的控制形式輸入變量"'的線性系數(shù)矩陣，A2為故障觀測(cè)器輸出 變量^與故障KX觀測(cè)器狀態(tài)變量^的線性系數(shù)矩陣，^為故障觀測(cè)器輸 出變量化與第二傳感器測(cè)量形式輸出變量《的系數(shù)矩陣；《為約束 《,(52,々2,^2,》2系數(shù)矩陣之間數(shù)值關(guān)系滿足KX觀測(cè)器條件的中間系數(shù)矩
陣；
(4)第一KX觀測(cè)器的合成步驟 將正常KX觀測(cè)器和故障KX觀測(cè)器合成第一 KX觀測(cè)器
i =尸z + G少+他
，y為衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的所有傳感器測(cè)量輸出，z為第
0 二臉+
KX觀測(cè)器的狀態(tài)變量，w為第一KX觀測(cè)器的輸出變量，第一KX觀測(cè)器
的參數(shù)F,G,仏M,iV滿足以下關(guān)系定義實(shí)常陣r'
7; 0
巧00
I11
0F7G2
《；
10本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，容錯(cuò) 觀測(cè)器方法是在性能良好的故障觀測(cè)器、三角標(biāo)準(zhǔn)形變換及子系統(tǒng)分解、 KX觀測(cè)器技術(shù)、自適應(yīng)控制切換流程的基礎(chǔ)上研發(fā)的。與已有的相應(yīng)技術(shù) 相比，該技術(shù)具有狀態(tài)觀測(cè)容錯(cuò)性(保障正常狀態(tài)不受故障輸出影響)、傳 感器故障的整體容錯(cuò)性(可對(duì)所有傳感器故障容錯(cuò))、衛(wèi)星姿態(tài)閉環(huán)故障穩(wěn) 定性三方面優(yōu)越性，對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)控制的容錯(cuò)能力進(jìn)行了一定的改善。


圖1為本發(fā)明容錯(cuò)觀測(cè)方法流程圖。
圖2為本發(fā)明容錯(cuò)觀測(cè)流程中的故障診斷模塊結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為本發(fā)明衛(wèi)星姿態(tài)控制容錯(cuò)觀測(cè)詳細(xì)流程圖。 圖4為龍伯格(Luenberger)觀測(cè)器獲得的觀測(cè)狀態(tài)曲線與實(shí)際狀態(tài)曲 線圖。
圖5為狀態(tài)觀測(cè)容錯(cuò)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)中本發(fā)明改進(jìn)KX容錯(cuò)觀測(cè)器獲得 的觀測(cè)狀態(tài)曲線與實(shí)際狀態(tài)曲線圖。
圖6為傳感器故障的整體容錯(cuò)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)中KX容錯(cuò)觀測(cè)器獲得的 觀測(cè)狀態(tài)曲線與實(shí)際狀態(tài)曲線圖。
圖7為傳感器故障的整體容錯(cuò)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)中本發(fā)明改進(jìn)KX容錯(cuò)觀 測(cè)器獲得的觀測(cè)狀態(tài)曲線與實(shí)際狀態(tài)曲線圖。圖8為閉環(huán)故障穩(wěn)定性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)中KX容錯(cuò)觀測(cè)器獲得的觀測(cè)狀態(tài) 曲線與實(shí)際狀態(tài)曲線圖。
圖9為閉環(huán)故障穩(wěn)定性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)中本發(fā)明改進(jìn)KX容錯(cuò)觀測(cè)器獲得 的觀測(cè)狀態(tài)曲線與實(shí)際狀態(tài)曲線圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明方法具體如下首先對(duì)控制系統(tǒng)采用故障診斷模塊進(jìn)行傳感器 故障檢測(cè)隔離，若隔離結(jié)果判定第一傳感器存在故障，則選擇第二KX觀 測(cè)器進(jìn)行觀測(cè)，若判定第二傳感器存在故障，則選擇第一KX觀測(cè)器進(jìn)行 觀測(cè)。本發(fā)明的關(guān)鍵處在于對(duì)控制系統(tǒng)狀態(tài)方程采取相應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行 系統(tǒng)變換，再進(jìn)行三角標(biāo)準(zhǔn)形子系統(tǒng)分解為兩個(gè)子系統(tǒng)，以系統(tǒng)反饋穩(wěn)定 控制為目標(biāo)，分別針對(duì)兩個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)低維KX函數(shù)觀測(cè)器，進(jìn)而合并得 到具有容錯(cuò)性能的系統(tǒng)KX觀測(cè)器。通過(guò)設(shè)計(jì)兩個(gè)并行系統(tǒng)KX觀測(cè)器并融 入控制切換流程，使衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)在部分傳感器輸出不可靠時(shí)仍能保 證系統(tǒng)剩余部分觀測(cè)量的容錯(cuò)觀測(cè)，基于KX反饋機(jī)制可保證故障系統(tǒng)的 閉環(huán)控制完整性。
本發(fā)明具有故障診斷模塊、三角標(biāo)準(zhǔn)形變換、并行KX觀測(cè)器、控制 切換四個(gè)部分及功能(如圖l所示)。其中，故障診斷模塊用于檢測(cè)并隔離 出衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的故障傳感器，即給出系統(tǒng)哪個(gè)輸出不可靠。三角標(biāo) 準(zhǔn)形變換完成將系統(tǒng)變換為對(duì)應(yīng)三角標(biāo)準(zhǔn)形形式，這種三角標(biāo)準(zhǔn)形便于將 系統(tǒng)分解為故障子系統(tǒng)和正常子系統(tǒng)。并行KX觀測(cè)器用于針對(duì)變換后的 三角標(biāo)準(zhǔn)形系統(tǒng)觀測(cè)其反饋狀態(tài)函數(shù)KX，以給出系統(tǒng)穩(wěn)定反饋。最后，控制切換根據(jù)故障診斷模塊診斷結(jié)果決定將并行KX觀測(cè)器中對(duì)應(yīng)的一個(gè)KX 觀測(cè)器輸出反饋回系統(tǒng)控制輸入。
以下是對(duì)本發(fā)明方法的進(jìn)一步描述 1、故障診斷模塊
考慮線性定?？刂葡到y(tǒng)，可以用下面的狀態(tài)空間模型描述。
_K,) = Cx(,) + /《)
式中，(R表示實(shí)數(shù)域，n表示實(shí)數(shù)域空間維數(shù))為狀態(tài)向量，"eiT (R表示實(shí)數(shù)域，m表示實(shí)數(shù)域空間維數(shù))為控制向量，(R表示實(shí) 數(shù)域，/表示實(shí)數(shù)域空間維數(shù))為輸出向量，(R表示實(shí)數(shù)域，g 表示實(shí)數(shù)域空間維數(shù))為故障向量，A B、 C為系統(tǒng)系數(shù)。
故障診斷模塊的作用是檢測(cè)并隔離出哪一個(gè)傳感器輸出出現(xiàn)故障，因 而，本發(fā)明采用一種基于經(jīng)典傳感器故障殘差觀測(cè)器的故障診斷方法
設(shè)計(jì)/個(gè)狀態(tài)觀測(cè)器，分別用不同的傳感器測(cè)量信號(hào)作為輸入信號(hào)。 如圖2所示其設(shè)計(jì)步驟如下。
1)將/維的傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行劃分
"[M,…,W (T表示矩陣轉(zhuǎn)置，下文同) 使其^對(duì)應(yīng)第個(gè)傳感器的輸出，/ = 1,2,...,/。 2)利用y,和"建立/個(gè)觀測(cè)器；第/個(gè)觀測(cè)器只由x和"驅(qū)動(dòng)。
3) 由上述觀測(cè)器得到/組狀態(tài)估計(jì)值A(chǔ),^...,^其中^=[^,4,...,^『是 由第/個(gè)觀測(cè)器得到的，/ = 1，2,...，/
4) 在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，^,(,、1,2,...,/)應(yīng)收斂到系統(tǒng)的狀態(tài)x;當(dāng)?shù)?個(gè)傳感器發(fā)生故障，而其余的/-l個(gè)傳感器正常運(yùn)行時(shí)，由第i個(gè)觀測(cè)器所得 的狀態(tài)觀測(cè)值A(chǔ)將會(huì)偏離狀態(tài)真值X ，于是可得如下診斷結(jié)論。
定義殘差
G = x — C,《，f = 1,2，…乂 其中，C,是輸出矩陣的第/行，定義殘差閾值、若^s，則無(wú)故障； 若^>"則第z'個(gè)傳感器發(fā)生故障，于是便可以進(jìn)行在線故障檢測(cè)與隔離。
2、 控制切換
采用故障診斷模塊和并行KX觀測(cè)器(第一和第二 KX觀測(cè)器)同時(shí)對(duì) 系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)，故障觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)輸出觀測(cè)后獲取各個(gè)傳感器輸出的殘差， 檢測(cè)隔離出故障傳感器，控制切換算法根據(jù)檢測(cè)隔離結(jié)果進(jìn)行并行KX觀 測(cè)器的選擇，控制切換算法基本流程為若傳感器2出現(xiàn)故障，則選擇第 一KX觀測(cè)器，若傳感器l出現(xiàn)故障，則選擇第二KX觀測(cè)器。切換默認(rèn)輸 出為第一KX觀測(cè)器。
故障診斷模塊對(duì)系統(tǒng)傳感器故障進(jìn)行檢測(cè)隔離后，決定控制切換模塊 選擇并行KX觀測(cè)器中的哪一部分KX觀測(cè)器輸出，并行KX觀測(cè)器基于假 定的對(duì)應(yīng)故障模式分別進(jìn)行先驗(yàn)設(shè)計(jì)，下文將分別闡述第一 KX觀測(cè)器與 第二 KX觀測(cè)器的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法。
3、 第一KX觀測(cè)器的生成
第一KX觀測(cè)器基于假定傳感器2出現(xiàn)故障設(shè)計(jì)。對(duì)于默認(rèn)系統(tǒng)(1)，系 統(tǒng)測(cè)量輸出變量je^可描述為y-Ly,，乂]， 7，對(duì)應(yīng)正常部分傳感器(傳感器 1)測(cè)量輸出，力對(duì)應(yīng)故障部分傳感器(傳感器2)測(cè)量輸出。
1)三角標(biāo)準(zhǔn)形變換三角標(biāo)準(zhǔn)形變換的目的是將系統(tǒng)(1)變換為對(duì)應(yīng)三角標(biāo)準(zhǔn)形形式，這 種三角標(biāo)準(zhǔn)形便于將系統(tǒng)分解為正常子系統(tǒng)和故障子系統(tǒng)，但其前提是必 須所針對(duì)系統(tǒng)測(cè)量輸出變量7=[乂,72]中，^對(duì)應(yīng)正常部分傳感器(傳感器1)
測(cè)量輸出，^對(duì)應(yīng)故障部分傳感器(傳感器2)測(cè)量輸出。因?yàn)橄到y(tǒng)默認(rèn)描 述^對(duì)應(yīng)正常傳感器1測(cè)量輸出，力對(duì)應(yīng)故障傳感器2測(cè)量輸出。因而， 在進(jìn)行第一 KX觀測(cè)器設(shè)計(jì)時(shí)可直接針對(duì)默認(rèn)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)三角標(biāo)準(zhǔn)形變 換及子系統(tǒng)分解。
假定系統(tǒng)(1)可觀測(cè)，則其可觀性矩陣J^『^C^…04"-'fc77，滿足 簡(jiǎn),)="(mnk表示矩陣的秩，下文同)。設(shè)f =[《《 《]，則有 定義l.若令v, =m"/t[Cl^V...(f')V]，
乂=1贅
則稱^,/ = 1,2,...,/}為系統(tǒng)(1)的三角標(biāo)準(zhǔn)形指數(shù)集。顯然有，基
于三角標(biāo)準(zhǔn)形指數(shù)集，可獲得引理l。
引理1.存在一個(gè)線性坐標(biāo)變換7 = &，可將系統(tǒng)(1)變換為如下等價(jià)
三角標(biāo)準(zhǔn)形
P的求法如下
廠1 =[WVH 2…f-V力,斗.D,]
其中= 1,2,...,/)是下述方程的解
6,["《…("-')V ^..(,')V] =
的值就是上式等式右邊[o...oio...o]中的元素1所處的位置序號(hào)。
設(shè)ra"A:C = / ，且設(shè)B7</ 。令Jfr=[《《],，其中 Se^，^ei^，j^及,J2e及,—〃 而巧=^>， & = ^ Vj ， ^2= —^，則系統(tǒng)(2)
可表示為
「. ， " 、— 一 I,
,=/+1
「i,0、
、4人
》「0、
1
+
A」
柳 ，
x10
(3)
若再令鳥(niǎo)=[^2逸]，"=[《"rf，j>2=_ 2-(^，則系統(tǒng)(3)可分解為如下兩 個(gè)子系統(tǒng)
》2 = ^352
(4)
(5)
2) KX觀測(cè)器
在狀態(tài)反饋中，控制律一般可表示為"=-&。為了減小觀測(cè)器的維數(shù)， 本發(fā)明采用KX觀測(cè)器方法直接對(duì)狀態(tài)變量的函數(shù)&進(jìn)行重構(gòu)觀測(cè)。KX 觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法如式(6)所示
該觀測(cè)器滿足
w 二 Mz +卸 limzO) = limr'x(0
(6)
則其成立充要條件為:
1) rJ-F:r'=GC， r'為實(shí)常陣；
3) F的全部特征值均具有負(fù)實(shí)部(
164) mt+m: = /:
對(duì)原系統(tǒng)通過(guò)線性坐標(biāo)變換^ = &獲得系統(tǒng)三角標(biāo)準(zhǔn)形后，根據(jù)反饋參
數(shù)k，選擇滿足上述條件1) -4)的r'，KG,仏M，iV，就可設(shè)計(jì)出&為觀測(cè)
目標(biāo)的系統(tǒng)觀測(cè)器。
為了使系統(tǒng)觀測(cè)器具有容錯(cuò)性能，還必須對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行限定求解。
其求解主要思路為對(duì)于正常子系統(tǒng)(4)與故障子系統(tǒng)(5)，分別針對(duì)兩 個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)^子觀測(cè)器，即構(gòu)建的正常kx觀測(cè)器為fl = ^—Zl + ，
以正常kx觀測(cè)器為例說(shuō)明各參數(shù)
故障kx觀測(cè)器為—^+^ + A"'
tt 2 =^2z2+乂》;
含義，A,《,A三個(gè)系數(shù)矩陣決定了正常觀測(cè)器狀態(tài)變量導(dǎo)數(shù)^與正常觀測(cè)
器狀態(tài)變量z,、第一傳感器測(cè)量輸出變量A及正常觀測(cè)器控制輸入變量"之
間的線性數(shù)值關(guān)系，化,A兩個(gè)系數(shù)矩陣決定了正常觀測(cè)器輸出變量q與正 常觀測(cè)器變量A及第一傳感器測(cè)量輸出變量A之間的線性數(shù)值關(guān)系。故障
kx觀測(cè)器中各系數(shù)含義與正常kx觀測(cè)器大致相同，在此不再敘述。
基于各個(gè)子觀測(cè)器設(shè)計(jì)的 ;',巧,《,//,,^,^,(/ = 1，2)值，推導(dǎo)算得第一 kx 觀測(cè)器的r),G,仏M,iV值。子系統(tǒng)觀測(cè)器參數(shù)與第一 kx觀測(cè)器參數(shù)之間
滿足如下推導(dǎo)關(guān)系
令系統(tǒng)觀測(cè)器參數(shù)表示為
<formula>formula see original document page 17</formula>
子系統(tǒng)(4) kx觀測(cè)器的參數(shù)表示為《'^,《,A,化,A，子系統(tǒng)(5) kx觀 測(cè)器的參數(shù)表示為H《,A，j^,A，則滿足
l) 7;'=f;,r4《2) A,=偶,々2 =《'4
3) A =《，《=《
4) G,《G4^
5) a = r/A, //2 = r;義+ r4'4
6) M,化，M,i^2
8) G3、 r;任意選定，但需滿足7^1+7^2-^73'=(73^+《( 2; 4、第二kx觀測(cè)器的生成
第二 kx觀測(cè)器的生成與第一 kx觀測(cè)器唯一不同之處在于第二 kx 觀測(cè)器的生成基于假定傳感器1為故障。為了滿足三角標(biāo)準(zhǔn)形變換并分解 為正常子系統(tǒng)與故障子系統(tǒng)的前提，需將默認(rèn)系統(tǒng)(l)的Y^乂,^]中的,yl 與y2互換位置，獲得新的傳感器測(cè)量輸出變量表示；Z-[h,w。對(duì)應(yīng)系統(tǒng) (1)中的所有參數(shù)及變量表示進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，獲得新的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)表示 形式
3/(f) = C'x'(,) + /'(0
調(diào)整后新的傳感器測(cè)量輸出變量/表示為少'=[少;，^]，其中，乃'對(duì)應(yīng) 第二正常傳感器測(cè)量輸出，x為第一故障傳感器測(cè)量輸出； 對(duì)上述新系統(tǒng)表示再按照三角標(biāo)準(zhǔn)形變換及kx觀測(cè)器設(shè)計(jì)流程生成第
二kx觀測(cè)器，原理與步驟與第一kx觀測(cè)器相同。
由第一kx觀測(cè)器與第二kx觀測(cè)器并行觀測(cè)系統(tǒng)控制輸入與測(cè)量輸出， 構(gòu)成并行kx觀測(cè)器與故障診斷模塊同時(shí)進(jìn)行在線觀測(cè)，由控制切換模塊 根據(jù)故障診斷結(jié)果決定并行kx觀測(cè)器中哪一路kx觀測(cè)器輸出。結(jié)合本發(fā)明進(jìn)一步提供以下實(shí)施例
將本發(fā)明應(yīng)用于對(duì)地定向三軸穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)噴氣控制中，若把衛(wèi)星看 :，由于俯仰通道是解耦的，可以單獨(dú)設(shè)計(jì)。因此在這里我們僅考慮 滾動(dòng)和偏航兩個(gè)軌道的狀態(tài)空間形式
<formula>formula see original document page 19</formula>(7)
式(7)中A、 ^表示外力矩在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系中的三個(gè)分] /2表示衛(wèi)星的三個(gè)主慣量；叫表示衛(wèi)星的軌道角速度。
為下面論述方便，在這里我們令
<formula>formula see original document page 19</formula>則噴氣姿態(tài)控制系統(tǒng)可表示為形如系統(tǒng)(1)的狀態(tài)方程形式。
滾動(dòng)/偏航回路的容錯(cuò)觀測(cè)與反饋穩(wěn)定控制框圖如圖3所示，采用故障 觀測(cè)器和KX觀測(cè)器同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)，故障觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)輸出觀測(cè)后 獲取各個(gè)傳感器輸出的殘差，檢測(cè)隔離出故障傳感器，控制切換算法根據(jù) 檢測(cè)隔離結(jié)果進(jìn)行KX觀測(cè)器的選擇，控制切換算法基本流程為若傳感 器1出現(xiàn)故障，則選擇KX觀測(cè)器1，若傳感器2出現(xiàn)故障，則選擇KX 觀測(cè)器2。切換默認(rèn)輸出為KX觀測(cè)器1。為了對(duì)比本發(fā)明所提出容錯(cuò)觀測(cè)方案與其他方案的優(yōu)越性，針對(duì)上述 噴氣控制系統(tǒng)，分別從狀態(tài)觀測(cè)容錯(cuò)性(是否正常狀態(tài)受故障輸出影響)、 傳感器故障的整體容錯(cuò)性(是否對(duì)所有傳感器故障容錯(cuò))、衛(wèi)星姿態(tài)閉環(huán)故 障穩(wěn)定性三個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
1) 狀態(tài)觀測(cè)容錯(cuò)性能對(duì)比
將本發(fā)明觀測(cè)器方法與經(jīng)典Luenberger觀測(cè)器方法針對(duì)系統(tǒng)(7)在傳 感器故障下進(jìn)行狀態(tài)跟蹤對(duì)比，設(shè)傳感器1故障為階躍型失效故障，發(fā)生 在ls。兩種觀測(cè)器獲得的觀測(cè)狀態(tài)曲線如下圖4， 5所示，圖中橫坐標(biāo)表示 時(shí)間(time):
由圖4， 5可知，當(dāng)傳感器1階躍故障在ls發(fā)生時(shí)，Luenberger觀測(cè)器 所有狀態(tài)估計(jì)^漸進(jìn)偏離實(shí)際系統(tǒng)狀態(tài)x ，而本文所采用KX容錯(cuò)觀測(cè)器除 了受傳感器輸出影響的狀態(tài)估計(jì)變量&、 4偏離實(shí)際狀態(tài)值x;、 a以外，^、 ^仍然能跟蹤x。 x2，由此可見(jiàn)，KX容錯(cuò)觀測(cè)器相比傳統(tǒng)觀測(cè)器方法，在 部分輸出不可靠時(shí)，仍然能跟蹤剩余的部分正常狀態(tài)。
2) 傳感器故障的整體容錯(cuò)性能對(duì)比
將本發(fā)明經(jīng)改進(jìn)后的KX觀測(cè)器方法與KX觀測(cè)器方法在不同傳感器 故障下進(jìn)行狀態(tài)跟蹤對(duì)比，設(shè)傳感器l、 2故障均為間歇失效故障，傳感器 2故障發(fā)生在0.6-0.8秒，傳感器1故障發(fā)生在1.2-1.4秒。兩種觀測(cè)器獲得 的觀測(cè)狀態(tài)曲線如下圖6， 7所示
由圖6、 7可知，當(dāng)傳感器2故障在0.6-0.8秒發(fā)生時(shí)，KX觀測(cè)器和改 進(jìn)KX容錯(cuò)觀測(cè)器均能在故障發(fā)生階段跟蹤部分正常狀態(tài)x,、 x2，故障消失后兩者都能跟蹤全部正常狀態(tài)；當(dāng)傳感器1故障發(fā)生在1.2-1.4秒時(shí)，KX 觀測(cè)器不再能跟蹤系統(tǒng)所有狀態(tài)，而改進(jìn)KX觀測(cè)器仍然能跟蹤實(shí)際狀態(tài) 值A(chǔ)、 x4，故障消失后，KX觀測(cè)器仍不能恢復(fù)狀態(tài)跟蹤，而改進(jìn)KX觀測(cè)
器方法能夠恢復(fù)跟蹤所有狀態(tài)。
3)閉環(huán)故障穩(wěn)定性能對(duì)比
將本發(fā)明改進(jìn)KX觀測(cè)器方法與KX觀測(cè)器方法在閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)中 進(jìn)行狀態(tài)跟蹤與控制穩(wěn)定效果對(duì)比，仍然設(shè)傳感器1 s發(fā)生階躍型失效故障。 兩種觀測(cè)器獲得的觀測(cè)狀態(tài)曲線如下圖8， 9所示
由圖8， 9可知，當(dāng)傳感器1階躍故障在ls發(fā)生時(shí)，KX觀測(cè)器仍能跟 蹤部分正常狀態(tài)x,、 x2，但系統(tǒng)狀態(tài)開(kāi)始變得偏離穩(wěn)定，系統(tǒng)反饋控制失效； 而改進(jìn)KX容錯(cuò)觀測(cè)器也能跟蹤部分正常狀態(tài);q、 x2，但系統(tǒng)是漸進(jìn)趨于穩(wěn)定的。
上述分析可知，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的KX容錯(cuò)觀測(cè)器方法在任意部分傳感器發(fā) 生故障時(shí)，仍能估計(jì)系統(tǒng)剩余正常狀態(tài)，且能保證系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制穩(wěn)定， 其容錯(cuò)觀測(cè)性能及反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性能均優(yōu)于其他觀測(cè)器方法。
權(quán)利要求
1、一種用于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的傳感器容錯(cuò)觀測(cè)方法，具體為采用故障診斷模塊對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行傳感器故障檢測(cè)隔離，若隔離結(jié)果判定第一傳感器存在故障，則選擇第二KX觀測(cè)器進(jìn)行觀測(cè)，若判定第二傳感器存在故障，則選擇第一KX觀測(cè)器進(jìn)行觀測(cè)。所述第一KX觀測(cè)器按照如下方式生成以第一傳感器為正常、第二傳感器為故障，將衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)變換分解為正常子系統(tǒng)和故障子系統(tǒng)，分別根據(jù)針對(duì)正常和故障子系統(tǒng)構(gòu)建正常KX觀測(cè)器和故障KX觀測(cè)器，再將正常和故障KX觀測(cè)器合并為第一KX觀測(cè)器；所述第二KX觀測(cè)器按照如下方式生成以第一傳感器為故障、第二傳感器為正常，再按照與第一KX觀測(cè)器相同的方式生成第二KX觀測(cè)器。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的傳感器容錯(cuò) 觀測(cè)方法，其特征在于，所述第一KX觀測(cè)器的生成步驟具體為(1)系統(tǒng)分解步驟對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行分解生成正常子系統(tǒng)5=^^1+《"，4為正常子系統(tǒng)狀態(tài)變量A的導(dǎo)數(shù)A與正常子系統(tǒng)狀態(tài)變量^的線性系數(shù)，4為正常子系統(tǒng)狀態(tài)變量S的導(dǎo)數(shù)A與正常子系統(tǒng)控制輸入變量u的線性系數(shù)，A為第一傳感器測(cè)量輸出變量A與正常子系統(tǒng)狀態(tài)變量^的線性系數(shù)；以及故障子系統(tǒng)，:《3& + 52" ， A為故障子系統(tǒng)狀態(tài)變量i^的導(dǎo)數(shù)^與故障子系統(tǒng)狀態(tài)變量x 的線性系數(shù)，》2為故障子系統(tǒng)狀態(tài)變量; 2的導(dǎo)數(shù)^與 故障子系統(tǒng)控制形式輸入變量"的線性系數(shù)，^為第二傳感器 形式輸出變量A與故障子系統(tǒng)狀態(tài)變量^的線性系數(shù)，A^， A為 第二傳感器形式輸出變量j>2與正常子系統(tǒng)狀態(tài)變量&間的線性系數(shù)取反，T 表示矩陣轉(zhuǎn)置；上述各系數(shù)滿足以下關(guān)系逸=[4》2]，<formula>formula see original document page 3</formula>(2)正常KX觀測(cè)器的生成步驟針對(duì)正常子系統(tǒng)構(gòu)建正常KX觀測(cè)器^r一,j)"^A^,(^A,化,i^fi')， 5為正常KX觀測(cè)器的狀態(tài)變量，^為正常KX觀測(cè)器的輸出變量，《為 正常KX觀測(cè)器的狀態(tài)變量導(dǎo)數(shù)i,與狀態(tài)變量5的線性系數(shù)矩陣，《為正常 KX觀測(cè)器的狀態(tài)變量導(dǎo)數(shù)^與第一傳感器測(cè)量輸出變量A的線性系數(shù)矩 陣，A為正常KX觀測(cè)器的狀態(tài)變量導(dǎo)數(shù)^與正常子系統(tǒng)的控制輸入變量 u的線性系數(shù)矩陣，ii^為正常KX觀測(cè)器輸出變量^與正常KX觀測(cè)器狀 態(tài)變量^的線性系數(shù)矩陣，《為正常KX觀測(cè)器輸出變量份,與第一傳感器測(cè) 量輸出變量A的線性系數(shù)矩陣；《為約束《,《,^,化,^系數(shù)矩陣之間數(shù)值關(guān) 系滿足KX觀測(cè)器條件的中間系數(shù)矩陣； (3)故障KX觀測(cè)器的生成步驟針對(duì)故障子系統(tǒng)構(gòu)建故障KX觀測(cè)器 尺;^0/,冗，z2,^，/;，^,A,aK,《')，22為故障KX觀測(cè)器的狀態(tài)變量，％為故障KX觀測(cè)器的輸出變量，《為故障KX觀測(cè)器的狀態(tài)變量導(dǎo)數(shù)4與狀態(tài) 變量^的線性系數(shù)矩陣，6為故障KX觀測(cè)器的狀態(tài)變量導(dǎo)數(shù)^與故障觀測(cè) 器輸出變量化的線性系數(shù)矩陣，A為故障KX觀測(cè)器的狀態(tài)變量導(dǎo)數(shù)f2與 故障子系統(tǒng)的控制形式輸入變量"'的線性系數(shù)矩陣，&2為故障觀測(cè)器輸出 變量《2與故障KX觀測(cè)器狀態(tài)變量^的線性系數(shù)矩陣，^為故障觀測(cè)器輸出變量^與第二傳感器測(cè)量形式輸出變量K的系數(shù)矩陣；《為約束 《，(52,々2，&2，》2系數(shù)矩陣之間數(shù)值關(guān)系滿足KX觀測(cè)器條件的中間系數(shù)矩陣;(4)第一KX觀測(cè)器的合成步驟 將正常KX觀測(cè)器和故障KX觀測(cè)器合成第一 KX觀測(cè)器，y為衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的所有傳感器測(cè)量輸出，z為第-6> 二 Mz + ,KX觀測(cè)器的狀態(tài)變量，w為第一KX觀測(cè)器的輸出變量，第一KX觀測(cè)器的參數(shù)F,G,仏乾iV滿足以下關(guān)系定義實(shí)常陣r'-<formula>formula see original document page 4</formula><formula>formula see original document page 5</formula> 。
3、根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的一種用于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的傳感器容 錯(cuò)觀測(cè)方法，采用三角標(biāo)準(zhǔn)形式變換對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行分解。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的傳感器容錯(cuò)觀測(cè)方法，首先對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行傳感器故障檢測(cè)隔離，若隔離結(jié)果判定第一傳感器存在故障，則選擇第二KX觀測(cè)器進(jìn)行觀測(cè)，若判定第二傳感器存在故障，則選擇第一KX觀測(cè)器進(jìn)行觀測(cè)。第一或第二KX觀測(cè)器的確定方法為假定第二或第一傳感器存在故障，將控制系統(tǒng)分解為正常和故障兩個(gè)子系統(tǒng)，以系統(tǒng)反饋穩(wěn)定控制為目標(biāo)，分別針對(duì)兩個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)低維KX函數(shù)觀測(cè)器，進(jìn)而合并得到具有容錯(cuò)性能的系統(tǒng)KX觀測(cè)器。本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)兩個(gè)并行KX觀測(cè)器并融入控制切換流程，使衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)在部分傳感器輸出不可靠時(shí)仍能保證系統(tǒng)剩余部分觀測(cè)量的容錯(cuò)觀測(cè)，保證故障系統(tǒng)的閉環(huán)控制完整性。
文檔編號(hào)B64G1/24GK101481019SQ20091006081
公開(kāi)日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2009年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月20日
發(fā)明者岑朝輝, 睿 蔣, 魏蛟龍 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)