制系统执行器故障可重构的构型优化设计方法。2. 根据权利要求1所述的一种卫星姿态控制系统故障可重构的执行器构型设计方法， 其特征在于，所述步骤1具体为： 1)考虑执行器故障的卫星姿态控制系统模型 当第i个执行器相对于本体系的安装角度为巧，库时，作用于本体系的控制力矩：?補??:，..'%:.潑f，職,?細長2，,…*歡>别为第i个执行器的控制力矩和角动量， 因此，考虑执行器安装方位的卫星姿态动力学方程表示为：上述卫星姿态动力学模型并没有考虑执行机构失效故障的情况，现考虑执行机构部分 失效故障问题，并且将失效故障建模成乘积因子的形式，则在执行机构失效故障情况下的 卫星姿态动力学方程为：(3) 其中I義踩1??懿:?鷄礎鐵，表示执行机构的失效因子， 曼《聲雜振!，?没;!J屬?繁资!表示第i个执行机构正常工作，（1:鴨緻《1表示第i个执行机构 部分失效但仍在工作， 暂不考虑外部干扰力矩，（3)式为：(4) 令状态变量为缀，将上述姿态动力学方程转化为状态空间形式： 乂 = + 开 0) + 丑(5) 其中J S Γ咬思的为含故障的控制力矩系数矩阵其中，与、苗、4分别为转动惯量矩阵的Ξ个对角元素，·、、与、馬;分别为状态变量的Ξ 个分量； 2)卫星姿态控制系统可控条件及分析 卫星姿态控制系统可控条件是基于如下一般的非线性系统可控条件的结论而得：为系统状态变量，贫为控制输入J鑛霸蘭分别为橡装豁絮絮淺阶连续矩阵，揀緻为η维资1?为随机系数，相应地，G为非线性系统模型中的随机系数，F为非线性系统中的非线 性项，考虑到一般性，与F有关的因素包括:时间t，状态X，状态X的函数W及与随机项有关的 函数， 通过证明可得，上述一般的非线性系统可控条件为： 条件1: 3}?是可逆的，对任意的目标状态皆S (〇4 J》)，控制II;毅设计为：(絳y表示rf的对偶算子， b)线性系自完全可控，则算子rf是可逆的， 存在正常数I使得其中，条件1中的两个条件都是基于rf是可逆的，一方面，在运一前提下，才能设计出 期望的!4(?，在证明压缩映射及系统可控性所利用的引理中均使用了鼓(?的设计形式;另一 方面，rf可逆等价于上述线性系统完全可控，故而存在正常数I使得任在压缩映 射的证明中使用了该特性，条件2则用于压缩映射的证明，确保映射是压缩的，所W，当满足 了条件1和条件2之后，便可W证明系统的可控性，可见，它们是系统可控的充分条件，事实 上，卫星姿态控制系统属于上述非线性系统的特殊情况:令纖藻纖刻，鼓茂:義證0,恩黨亦 则转化为姿态控制系统， 此时，为确保系统可控而设计的控制率U为：其中，对于姿态控制系统，由于度:/'皆盛消，与时间无关，所 W可W转化为表示对所作用的函数的期望在[0，？]上积分之后再 乘W系数矩阵，该算子由求期望、求积分、乘系数算子构成，由3所W其 逆算子形式是由乘系数的逆、求微分、求期望的逆算子构成，表示为：那么，此时，为确保系统可控而设计的控制率U为：综上，总结卫星姿态控制系统可控的充分条件为：2.4)算子是可逆的，即存在常数I， 使得;{雜}"4兹I，同时，为保证可逆，顯|(纖京)刮，其中条件2.2)与2.3)均与系统中非线性函数的性质相关，条件2.1)、2.4)、2.5)均与执 行器的安装方位等因素相关。3.根据权利要求1所述的一种卫星姿态控制系统故障可重构的执行器构型设计方法， 其特征在于，所述步骤2具体为： 3.1)根据卫星姿态控制系统可控的充分条件，为确保系统可控而设计的控制率U为：其中，S =厂1C直切与执行器安装方位和故障有关，^和^分别是目标状态和初始状 dt dt 态的变化，所w，转动惯量矩阵、执行器安装方位、目标状态和初始状态的变化是影响姿态 确定系统可控性的因素， 考虑到控制功耗，应使得U货越小越好所W，通过执行器安装方位的适当调整，使得越小，则谐 小，那么相应地保证控制力矩U货较小，根据上式可知，当目标状态的变化增大时，会导致 U0变大，如果执行器受到动量饱和约束，当目标状态的变化大到一定程度导致U货超过 动量饱和限时，将导致不可控，所W，目标状态的变化也是对系统的可控性产生影响的因 素； 3.2)由于I我们考虑其中设及到的参数： 由于，所W，存在常数巧，使得I巧?，訂Γ <Ai：i+Wr) 进一步，故，所=巧!?^-if)，即转动惯量矩阵和角速度变化量对该姿态控制系统的可控性产生 影响，且根据其计算公式，由于转动惯量之间的差别较小，所队J较小，同时，角速度的标准 单位是弧度每秒，因此相应的角速度变化量?Τ-呼也较小，故，邸较小，事实上，如果而足 够小，较容易满足泣<1.运一条件，所W，影响系统可控的主要因素体现在转动惯量矩阵和 角速度变化量上， 当在时间段权，巧内，安装矩阵不变时，贝帖=ric直怯)也为常数，那么，可见，对于参数1，除了转动惯量矩阵、执行器安装方位之外，当前状态与目标状态之间 的时间间隔对该姿态控制系统的可控性产生影响， 综上，执行器为动量轮的姿态控制系统可控性影响因素包括：当前状态与目标状态之 间的时间间隔、状态变化期间的角速度最大变化量、转动惯量矩阵、执行器安装方位，其中 转动惯量矩阵对满足可控条件的最佳安装矩阵的选取有着决定性的影响。4.根据权利要求1所述的一种卫星姿态控制系统故障可重构的执行器构型设计方法， 其特征在于，所述步骤3具体为： 针对考虑了执行器故障的姿态控制系统，根据系统可控性的理论分析可知，在执行器 出现故障在时，要保证姿态控制系统仍然可控的条件是，调整执行器的安装方位巧，使得 如下条件成立：4.4)算子A是可逆的，即存在常数占， 使得;(巧)4这与，同时，为保证可逆，她(朗呼=.3，那么，当出现故障Ji时，满足W上5个可控条件的执行器安装方式均可保证姿态控制系 统可控，记该有效安装范围为马，则针对不同的执行器故障車，i = l，2,……n，相应地计算 出满足可控条件的执行器安装范围?后，i=l，2,……n，所有巧i=l，2,……η的交集C即 为考虑了存在执行器故障克，i = l，2,……η的情况下，仍能保证系统可控的执行器安装范 围； 当存在执行器动量饱和约束时，仅需要增加一个约束条件，即在W上5个可控条件基础 上增加条件4.6): 4.6) 按照4.1)计算的控制率U的各个分量不超过给定的执行器动量饱和限， 当考虑控制功耗时，应使得U的越小越好，所W求最佳的安装方位则是满足上述6个条 件基础上增加条件4.7): 4.7) 满足上述6个条件基础上使得|S了粗)(5树了最小的安装方位。
【专利摘要】本发明涉及一种卫星姿态控制系统故障可重构的执行器构型设计方法。该方法针对存在执行器故障的姿态控制系统，不同的执行机构故障？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？发生时，通过约束安装矩阵C以满足系统可控条件，进而确定出使得该系统仍能满足可控条件的安装矩阵有效范围，可重构率最大的安装设计就是所有的交集，而最优的安装设计是的交集中保证设计出相应的确保闭环系统渐进稳定的控制率<i>u</i>最小的安装设计。该方法设计在姿态控制系统执行器出现故障的情况下，仍能保证系统可控的执行器最优安装构型，以实现对卫星姿态控制系统执行器故障的重构，保障卫星在执行器出现故障时仍能稳定运行。
【IPC分类】G05B19/048, G05D1/08
【公开号】CN105549607
【申请号】CN201610026039
【发明人】矫媛媛, 潘晓刚, 周海银, 刘成瑞, 王炯琦, 孙晓民, 曾璞, 杨斌, 李耀宇
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2016年1月15日