英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
执行器部分失效的挠性航天器的鲁棒容错控制
张然，乔建忠，李涛，郭雷
摘要：在本文中，我们提出一个鲁棒容错控制方案来实现当存在扰动和执行器故障时挠性航天器姿态控制。结果表明，控制算法不仅具有较小的衰减水平，也能够容忍执行机构部分失效。该控制器设计简单，可以保证闭环系统成本函数的上界。该设计算法结合了自由权矩阵法和线性矩阵不等式技术。仿真验证了航天器在受到执行机构部分失效时，该设计方法的有效性。
关键词：挠性航天器，容错，控制，LMI
1 介绍
在通信、导航、遥感和其他空间相关任务方面，高精度姿态控制一直是一个困难和挠性航天器的重要问题。这是因为现代航天器通常采用大部署和轻阻尼结构（如太阳能桨和天线反射器）提供足够的电力供应，并且能够降低发射成本【1-6】。在刚体姿态控制中，执行机构发挥重要作用的控制命令与物理作用【7-8】。通常情况下,控制器要求的执行机构执行命令应该值得信任和完全。在这种情况下,执行器需要100%有效。然而,当一个错误发生在执行器,执行机构不能完成控制命令。自然,控制通道的有效性(或缺乏)成为一个适当的执行器故障的严重程度【9】。在一个航天器中,执行机构故障可能会导致差异的期望和实际运动控制面由于不正确的供应压力的液压线,改变液压合规和线泄漏【10】。这些问题可以预防的主要控制表面如电梯、副翼、方向舵形式搬到要求的位置控制器【9】。另一方面,复杂的空间结构可能导致降低刚度和低频弹性模式。然而,挠性附件的弹性振动可能导致退化的姿态控制的性能。因此,理想的控制方案应该容忍部分失效的执行器有效性和鲁棒性,能够克服各种干扰形式结构挠性附件的振动。
由于越来越高的可靠性和生存能力的要求复杂控制(容错控制)引起了广泛的兴趣和关注【12-21】。容错控制可分为被动容错控制【12-13】和主动容错控制【14-15】。一个主动的容错控制会使用诊断结果提供的故障检测和诊断,积极调整控制工作,因此可能是能够处理更多的缺点【14-15】。与主动的容错控制相比,被动的容错控制不需要确切的执行器故障信息的优势,因此,它实现起来比较简单。被动的容错控制也可以确保系统的稳定性和执行器故障发生后所需的性能和故障检测和诊断阶段结束之前【12-13】。
出于前面的讨论,在这篇文章中,一个被动的容错控制方案灵活飞船干扰和部分失效的执行器的有效性进行了研究。首先,执行器的部分失效有效性问题转化为不确定参数的问题。第二,容错控制是由结合控制技术和鲁棒控制设计方法。该控制算法不仅从结构挠性附件的振动减弱扰动衰减程度,还能强健的执行器部分失效效率。同时,简单的设计和合成鲁棒控制器可以保证故障闭环系统状态与规定的成本函数的上界。最后,数值例子来演示我们方法的良好性能。
本文的其余部分组织如下：灵活的航天器模型的单轴模型描述和执行机构的部分失效效率在Sect.2有介绍；被动英尺控制器设计和分析在Sect.3有介绍；数值模拟在不同的控制有效性因素的情况下被提出，在Sect.4中验证了该控制方法的性能；最后,我们得出结论在本文Sect.5。
符号:在这篇文章中,表示n维欧几里得空间;平方可积向量函数的空间在用;标“”和“”分别代表矩阵变换和矩阵的逆;意味着是实对称正定(半定)。恒等式和零矩阵分别以适当的维度用和表示。在对称块矩阵或复杂的矩阵给出代表对角矩阵,并给出 代表一个词。矩阵,如果他们的尺寸没有明确地声明,认为是兼容相关代数操作。
2 问题制定和预期
同样的引用【11-22】,可以来自于单轴模型非线性挠性航天器动力学的态度。摘要问题简化,只考虑单轴旋转操作。假定该模型包括一个刚体和一个灵活的附属物,和相对弹性飞行器模型被描述为
(1)
这里是姿态角，是航天器惯性俯仰轴,是挠性模态坐标,是刚弹耦合阵,是控制扭矩反应生成的轮子安装在挠性航天器。=是模态阻尼矩阵,这里,是阻尼比,,是模态频率。是刚度矩阵。是维度。自振动能量集中在低频模式在一个灵活的结构,它的降阶模型可以得到模态截断。在本文中,只考虑前两个弯曲模式。然后我们可以得到
（2）
制定容错控制的问题,必须建立故障模型。根据故障类型为飞行控制系统建立在【15-18】,故障类型被认为是在这项研究中执行器效率的失效。我们使用来描述控制信号如下:
（3）
这里是控制有效性的因素，它满足以下:
，，
， （4）
这里是一个未知常数，和分别代表的已知的上下边界。为简单起见,我们推出以下符号:
，
，
（5）
在这里有，，
， （6）
然后，我们有
，
. （7）
注1：当时，然后第i个执行器被认为是绝对没错的。不过,当时,考虑断层是控制有效性的部分失效。特别,当,第i个执行器被认为是失败和执行器坏了。另一方面,它是指出,执行器效率失效问题可能会变成不确定参数问题通过使用故障描述的方法在注（7）,这也会使部分执行器故障问题轻松解决在随后的部分。
让,然后,系统(2)执行机构故障(7),可以转换成状态方程
（8）
在这里测量参考输出，是随着干扰是由于挠性附件的弹性振动,这应该是属于和满意和
对于系统(8),下面的容错状态反馈控制器使用
， （9）
在这里是控制器的增益和需要设计。然后,系统控制律(13),(12)可以表示如下
(10)
本文的目的是设计容错控制器，例如
闭环系统(14)和是渐近稳定的;
在时,下面的成本函数与闭环系统(10)满足
， （11）
在这里是一个指定的常数，和给出了正定矩阵；
在零初始条件下,闭环系统(10)满足,对于任何非零属于，这里是一个给标量开。
现在我们给下面的引理的证明中需要的主要结果。
引理1(【23】) 给定矩阵M = M和N适当的尺寸,不平等
适用于所有,当且仅当存在 。
引理 2 (【23】) 给定的常数矩阵，这里 和,然后，
当且仅当,或时。
3 容错控制设计
在本节中,我们将设计方法基于LMI来计算控制器容错增益。
3.1 闭环系统的稳定性
定理 1 给定一个标量和矩阵,系统(10)渐近稳定和满足任何非零在零初始条件下,如果存在一个矩阵,可逆矩阵后和这样不平等是适用的:
（12）
此外,性能指标的上界(11)给出如下：
（13）
证明： 第一步是分析系统(10)的渐近稳定性。考虑系统(10)在缺乏,我们选择一个李雅普诺夫函数。对于任何矩阵和可逆矩阵的合适的尺寸,我们有
（14）
沿着轨迹区分的系统(10)和(14)添加到它 （15）
根据(12)和引理2,它意味着V(t)lt; 0。因此,系统(10)是渐近稳定的。接下来,我们考虑成本函数的上界(11)。需要指出的是,
（16）
当（12）适用时，我们有
（17）
整合双方(17)从到,我们获得
（18）
最后,我们应当建立系统（10）的性能在零初始条件。让
.
它可以证明,对于任何非零和,
（19）
很明显,对于任何矩阵T1和T2可逆矩阵适当的尺寸,以下平等永远是正确的
（20）
然后，我们有
（21）
根据(20)和(21),遵循从(12),这意味着适用于任何非零
证毕。
备注 2：在定理1中,介绍了和松弛变量。有人指出和是无用的减少稳定性条件的保守主义【24-25】。然而,他们可以更轻松的容错控制器的设计之后,因为他们只需要可逆矩阵不是正定矩阵。与此同时,注意的是,和不可逆矩阵,平等(14)也是如此。在这里,为了设计容错控制器增益,我们假设他们可逆矩阵。
3.2 控制器设计
在定理1的基础上,我们将提供一个鲁棒的容错控制器的设计方法。
定理2 对于给定标量,和矩阵,是存在一个标量,一个矩阵,可逆矩阵和任何矩阵,下面的不平等是适用的:
（22）
闭环系统(10)渐近稳定的容错控制器和满足任何非零
零初始条件。此外,性能指标的上界(11)给出如下：
（23）
这里
证明： 假设存在,这样的不平等(26)和让
,
从(7),我们可以获得。根据引理1有,而且
（24）
从s控制hur补充理论,我们有
（25）
然后,自左乘(25)和自右乘和定义一些矩阵如下:
因此,(25)变成(12)。从定理1,很明显,闭环系统(10)渐近稳定和满足 。证毕。
备注 3：利用引理1,故障描述(7),执行器的部分失效效率问题转化为不确定参数的问题。因此,一个可行的鲁棒容错控制方案得到定理2,取决于控制有效性系数。另一方面,设计控制器中描述的LMI形式,这是通过使用Matlab LMI工具箱容易解决。
4 数值例子
在本节中,应该容错控制方案将被应用到宇宙飞船有一个灵活的附属物。因为低频模式通常占主导地位的一个灵活的系统,只有最低的两种弯曲模式被认为是实现航天器模型。因此,我们假设和阻尼,我们假设,在前两个弯曲模式的耦合系数，是名义本金的俯仰轴的取值范围。灵活的飞船是应该在一个圆形轨道高度500公里,轨道速度是。最初的俯仰姿态飞船。性能指数应该和给定的矩阵是选为。我们通过使用定理2的结果表1和2中给出。
图1显示了下俯仰姿态角和角速率的响应部分执行器故障,控制有效性因素选择当
,分别。
图2显示了响应的控制效果时,。从这些数据,很明显,鲁棒容错控制下的响应性能可以保证控制器。
表1 相应的矩阵和在不同控制有效性的因素
表2 控制器参数在不同控制有效性的因素
图1 下的俯仰姿态角和速度响应部分执行器故障
图2 当和时的控制效果
5 结论
在这篇文章中,一个鲁棒的容错控制方案已经调查了灵活的航天器。基于LMI条件制定存在的容许控制器,确保故障闭环系统是渐近稳定扰动衰减水平和部分失效执行器的有效性。数值模拟表明姿态控制系统的性能。进一步改善复合扰动观测器的反馈控制挠性航天器将被认为是在我们的未来的工作。
参考文献
- Nagashio, T., Kida, T., Ohtani, T., Hamada, Y.: Design and implementation of robust symmetri控制 attitude 控制ontroller for ETS-VIII spa控制e控制ra容错. 控制ontrol Eng. Pra控制t. 18(12), 1440–1451 (2010)
- Gennaro, S.D.: Adaptive robust tra控制king for flexible spa控制e-控制ra容错 in presen控制e of disturban控制e. J. Optim. Theory Appl. 21, 545–568 (1998)
-
Yang, 控制.D., Sun, Y.P.: Mixed H2/ Hinfin; state-feedba控制k design for mi控制rosatellite attitude 控制ontrol. 控制ontrol Eng. Pra控制t. 10 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[29214]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
课题毕业论文、外文翻译、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
