鲁棒故障诊断及容控错制方法研究贾克明.doc

鲁棒故障诊断及容错控制方法研究 第1章 绪 论 1.1 课题研究现状及意义 随着工业水平的快速提高，系统日益复杂化和大型化。这一类的系统一旦出现故障轻则导致系统无法正常运行、瘫痪，重则造成财产损失和安全事故，例如 1986 年 4 月 26 日发生的切尔诺贝利核电站事故导致了大面积的核污染；2003 年 2 月 1 日的美国哥伦比亚号航天飞机事故导致机毁人亡，7 名宇航员全部因此而丧生；2011 年 3 月日本福岛核电站事故……因此提高可靠性和安全性对一些大型的、复杂性的系统而言显得极为重要。如何提高复杂系统的可靠性和安全性成为人们关注的核心问题，容错控制为有效解决该问题提供了一条有效途径，因而得到了广泛的重视。“容错”这一概念最初出现于计算机系统，表示能够容忍故障的意思。当某个控制系统发生故障时，该系统的闭环稳定性及其他各项性能指标，如快速性，平稳性等都将会受到不同程度的影响，因此容错控制以满足系统稳定性和所要求的性能指标为指导前提，进而称满足该性能的闭环控制系统称为容错控制系统[1]。 近些年来卫星技术迅速发展，航天器的结构由简单走向复杂化，并且任务需求也开始多样化, 因此提高其稳定度和控制精度显得尤为重要。在众多的控制方法中，容错控制作为一种能够提高航天器的有效性、可维护性和可靠性的有效方法，发展为该领域的研究热点。20 世纪 70 年代航天航空领域开始研究高性能航天器，容错控制作为保障航天器安全性的重要理论支撑迅速发展起来，由此各种容错控制技术如雨后春笋般开始涌现[2-4]。 人类开始太空探索之旅始于苏联的第一颗人造卫星。中国不甘其后，在航天事业上也大显作为，留下属于自己的印记。值得一提的是，早期的航天器结构和功能都相对简单，而且这些航天器的使用寿命短、控制精度比较低。随着时代的发展，技术的提高，我国的航空航天器的发展又迈上了一个台阶：目前，在航天器在轨控制与自主姿态确定方面我国的技术发展已经初具规模。以“资源一号”卫星为例，该卫星是目前国内第一颗能够真正进行自主故障诊断和重构的卫星。系统重构和故障诊断这一些智能化容错控制技哈尔滨工业大学工程硕士学位论文术在新型飞船和对地探测卫星等航天任务中已有许多成功应用实例，文献[5]指出，目前的这些航天器的轨道与姿态控制系统均具有自主定位、便于在轨维护、自主故障检测、 自主系统重构等优良特性，是一系列可靠性好的高精度姿轨控制系统。 卫星作为航天器一种，种类多、用途广。卫星在太空环境中长时间在轨运行时，任务的多样化和强辐射，多干扰的运行环境极易造成卫星姿态控制系统故障，而在各种控制系统故障中，执行器失效故障占有很大一部分比例。如果卫星姿态控制系统发生故障，卫星将无法正常执行任务，甚至会出现脱轨，坠毁等一系列重大事故，以致带来某些安全隐患。由于完整性容错控制在控制系统正常工作状态和系统失效状态时都能够正常工作，而且不需要故障检测与诊断机构（FDD），具有快速性好，实时性强这些优点，因此对卫星姿态控制系统进行完整性容错控制问题研究对提高卫星的可靠性和安全性具有重大意义。值得一提的是，当卫星在常见的三正交反作用下如果处于执行机构部分失效时，在某种程度内还可以继续控制，若其完全失效，系统将不可控而带来安全问题，因此有必要在考虑执行器失效故障时将执行机构完全失效故障考虑进去。为了使卫星能够长时间工作，并顺利完成各种航天任务，建立合适的容错机构以应对突发故障显得十分重要。 1.2 航天器的容错控制特点 相对于各种复杂设备而言，航天器元器件众多，需要多种高端技术支持，而且其造价昂贵，极小的疏忽就可能带来重大的损失。有调研报告指出有34%的故障来自于控制系统执行机构[6]，航天器作为一个明显区别与其他系统的精密复杂控制系统，其容错控制主要有以下几方面的不同： （1）运行环境严峻 在轨运行的航天器其所受的不确定因素是多方面的，其运行环境要比地面苛刻得多，会不可避免地会受到来自太空的各种的影响, 而且还会受到电磁干扰，环境温差变化时低温、高温的影响，还可能遭到流星体撞击以及空间粒子辐射、，空中的噪声、 空间环境化学污染以及来自各个星体的杂光的干扰、振动等其它方面的影响也不可忽略，这些因素将导致航天器上的元器件极容易受到影响和出现故障，因此设计过程中不可当成一般地面状况对待，在仿真试验中要将这些环境因素纳入在内。 （2）故障后果严重 众所周知，任何一个系统出现故障的情景都是人们所不愿意见到的，航天器作为复杂大系统的一种，对系统及元件的精密度和可靠度要求极高。在高精度航天器的研制和发射过程中，需要巨大的人力、物力和财力支持，而且耗时长久，任何一个微小元件的故障都不能容忍其出现，否则会造任务失败，甚至出现坠毁和人员伤亡，带来巨大的经济损失这些故障所带