一种用于卫星姿态控制系统的传感器容错观测方法技术方案

本发明专利技术提供一种用于卫星姿态控制系统的传感器容错观测方法，首先 对控制系统进行传感器故障检测隔离，若隔离结果判定第一传感器存在故 障，则选择第二KX观测器进行观测，若判定第二传感器存在故障，则选 择第一KX观测器进行观测。第一或第二KX观测器的确定方法为：假定 第二或第一传感器存在故障，将控制系统分解为正常和故障两个子系统， 以系统反馈稳定控制为目标，分别针对两个子系统设计低维KX函数观测 器，进而合并得到具有容错性能的系统KX观测器。本发明专利技术通过设计两个 并行KX观测器并融入控制切换流程，使卫星姿态控制系统在部分传感器 输出不可靠时仍能保证系统剩余部分观测量的容错观测，保证故障系统的 闭环控制完整性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航天器故障诊断与容错控制领域，特别是一种面向卫星姿 态控制系统传感器故障的容错观测器方法。
技术介绍
卫星姿态控制系统作为一种典型的动力学控制系统，是决定卫星在空 间正常运行的重要部件之一。由于航天工程领域的特殊性，使其可靠性要 求极高，系统中任何一个环节出现故障都有可能影响整个系统安全，因此 对卫星姿态控制系统进行实时状态监测并在出现故障时保障系统继续运行 (即完整性)是必不可少的。对于一般控制系统而言，系统可供监测信号 主要为控制输入与测量输出，为了实现状态反馈控制或基于状态构成残差 进行诊断，通常采取模型观测器方法基于控制输入与测量输出跟踪系统状 态。对于卫星姿态控制系统，由于受星上条件限制，其冗余敏感器资源较 少，测量输出量之间存在解析冗余关系，因而将传统模型观测器方法用于 姿态状态观测时，会存在部分敏感器故障容易导致观测失效的问题。观测 失效会引起状态跟踪不正确，进而导致闭环反馈不稳定，当然也就无法利 用剩余正常传感器进行故障隔离以保证系统的完整性。因而，设计一种容 错观测器方法——当闭环控制系统由于部分传感器故障导致输出不可靠 时，这种观测器仍能利用剩余正常传感器的输出观测获得部分状态量，进 而保障系统稳定并实现部分诊断功能。对于提升卫星姿态控制系统的容错性能，节省传感器硬件冗余资源，具有重要的工程应用价值。目前，为了实现控制系统传感器故障的容错观测，存在两类途径一、 基于故障估计补偿的方法；二、基于线性变换的方法。第一类方法基于对故障残差的估计补偿系统状态，因而故障必须限定为特定故障，且必须是 精确实时的估计，实时估计的前提是观测器中对故障及模型的描述都必须 是精确的。对于某些具有非线性特征的传感器故障而言，其建模过程本来 就很复杂，且还必须满足先辨识故障大小的前提，因而这类方法不适用于 非确定型及复杂传感器故障的容错观测。第二类方法的主要思想是先将系 统线性变换为等价三角形或可进行能观测子系统分解的形式，针对新系统 中的子系统进行观测器设计，使得观测器输出跟故障传感器的输出解耦， 因而可以跟随系统的部分状态进而实现容错观测。若将原系统变换后进行 能观子系统观测器设计，如奉献观测器方法，虽然能满足检测出传感器故 障残差的要求，但不一定满足整个原系统故障条件下的闭环反馈稳定，即 不能给出能控性及稳定性的反馈约束条件，因而，只是实现了故障检测与隔离(FDD)，没有考虑闭环的稳定性。若将原系统变换为等价标准三角形 再进行子系统的观测器设计，如容错降维观测器方法，虽然对传感器故障 是何种类不敏感，但是进行子系统分解的前提依据是必须知道是那个传感 器输出出现故障，针对故障传感器输出设计转换矩阵，而且是针对开环系 统的，对于反馈控制不适用。
技术实现思路
本专利技术提供，既保持闭环反馈系统的稳定性，又具有高效的传感器故障容错观测效果。，具体为采用故 障诊断模块对卫星姿态控制系统进行传感器故障检测隔离，若隔离结果判 定第一传感器存在故障，则选择第二KX观测器进行观测，若判定第二传 感器存在故障，则选择第一KX观测器进行观测。所述第一KX观测器按照如下方式生成以第一传感器为正常、第二 传感器为故障，将卫星姿态控制系统变换分解为正常子系统和故障子系统，分别根据针对正常和故障子系统构建正常KX观测器和故障KX观测器，再 将正常和故障KX观测器合并为第一 KX观测器；所述第二KX观测器按照如下方式生成以第一传感器为故障、第二传感器为正常，再按照与第一 KX观测器相同的方式生成第二 KX观测器。所述第一 K X观测器的生成步骤具体为 (1)系统分解步骤对卫星姿态控制系统进行分解生成正常子系统i=4^+i 1， 4为正常子系统状态变量S的导数A与正常子系统状态变量s的线性系数，A为正常子系统状态变量^的导数來与正常子系统控制输入变量u的线性系数，A为 第一传感器测量输出变量A与正常子系统状态变量^的线性系数；以及故障子系统^=4^^2 ， A为故障子系统状态变量5的导数^与 故障子系统状态变量^的线性系数，《为故障子系统状态变量s的导数g与值，T表示矩阵转置；上述各系数满足以下关系》2 = [A乌]<formula>formula see original document page 9</formula>，ZpA，/j,(5p《，化，A，Jj')， 5为正常KX观测器的状态变量，w,为正常KX观测器的输出变量，《为 正常KX观测器的状态变量导数i,与状态变量z,的线性系数矩阵，《为正常 KX观测器的状态变量导数^与第一传感器测量输出变量A的线性系数矩 阵，^为正常KX观测器的状态变量导数A与正常子系统的控制输入变量 u的线性系数矩阵，化为正常KX观测器输出变量^与正常KX观测器状 态变量^的线性系数矩阵，^为正常KX观测器输出变量^与第一传感器测 量输出变量力的线性系数矩阵；《为约束《，A，A，M，A系数矩阵之间数值关 系满足KX观测器条件的中间系数矩阵； (3)故障KX观测器的生成步骤 针对故障子系统构建故障KX观测器为故障KX观测器的状态变量，^为 故障KX观测器的输出变量，,2为故障KX观测器的状态变量导数i,与状态变量^的线性系数矩阵，《为故障KX观测器的状态变量导数^与故障观测 器输出变量2的线性系数矩阵，《为故障KX观测器的状态变量导数i2与 故障子系统的控制形式输入变量'的线性系数矩阵，A2为故障观测器输出 变量^与故障KX观测器状态变量^的线性系数矩阵，^为故障观测器输 出变量化与第二传感器测量形式输出变量《的系数矩阵；《为约束 《,(52,々2,^2,》2系数矩阵之间数值关系满足KX观测器条件的中间系数矩阵；(4)第一KX观测器的合成步骤 将正常KX观测器和故障KX观测器合成第一 KX观测器i =尸z + G少+他，y为卫星姿态控制系统的所有传感器测量输出，z为第0 二脸+ KX观测器的状态变量，w为第一KX观测器的输出变量，第一KX观测器的参数F,G,仏M,iV满足以下关系定义实常阵r'7; 0巧00I110F7G2《；10本专利技术的技术效果体现在本专利技术具有实质性特点和显著进步，容错 观测器方法是在性能良好的故障观测器、三角标准形变换及子系统分解、 KX观测器技术、自适应控制切换流程的基础上研发的。与已有的相应技术 相比，该技术具有状态观测容错性(保障正常状态不受故障输出影响)、传 感器故障的整体容错性(可对所有传感器故障容错)、卫星姿态闭环故障稳 定性三方面优越性，对卫星姿态控制的容错能力进行了一定的改善。附图说明图1为本专利技术容错观测方法流程图。图2为本专利技术容错观测流程中的故障诊断模块结构示意图。 图3为本专利技术卫星姿态控制容错观测详细流程图。 图4为龙伯格(Luenberger)观测器获得的观测状态曲线与实际状态曲 线图。图5为状态观测容错性能对比实验中本专利技术改进KX容错观测器获得 的观测状态曲线与实际状态曲线图。图6为传感器故障的整体容错性能对比实验中KX容错观测器获得的 观测状态曲线与实际状态曲线图。图7为传感器故障的整体容错性能对比实验中本专利技术改进KX容错观 测器获得的观测状态曲线与实际状态曲线图。图8为闭环故障稳定性能对比实验中KX容错观测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于卫星姿态控制系统的传感器容错观测方法，具体为：采用故障诊断模块对卫星姿态控制系统进行传感器故障检测隔离，若隔离结果判定第一传感器存在故障，则选择第二ＫＸ观测器进行观测，若判定第二传感器存在故障，则选择第一ＫＸ观测器进行观测。所述第一ＫＸ观测器按照如下方式生成：以第一传感器为正常、第二传感器为故障，将卫星姿态控制系统变换分解为正常子系统和故障子系统，分别根据针对正常和故障子系统构建正常ＫＸ观测器和故障ＫＸ观测器，再将正常和故障ＫＸ观测器合并为第一ＫＸ观测器；所述第二ＫＸ观测器按照如下方式生成：以第一传感器为故障、第二传感器为正常，再按照与第一ＫＸ观测器相同的方式生成第二ＫＸ观测器。

【技术特征摘要】
1、一种用于卫星姿态控制系统的传感器容错观测方法，具体为采用故障诊断模块对卫星姿态控制系统进行传感器故障检测隔离，若隔离结果判定第一传感器存在故障，则选择第二KX观测器进行观测，若判定第二传感器存在故障，则选择第一KX观测器进行观测。所述第一KX观测器按照如下方式生成以第一传感器为正常、第二传感器为故障，将卫星姿态控制系统变换分解为正常子系统和故障子系统，分别根据针对正常和故障子系统构建正常KX观测器和故障KX观测器，再将正常和故障KX观测器合并为第一KX观测器；所述第二KX观测器按照如下方式生成以第一传感器为故障、第二传感器为正常，再按照与第一KX观测器相同的方式生成第二KX观测器。2、根据权利要求1所述的一种用于卫星姿态控制系统的传感器容错 观测方法，其特征在于，所述第一KX观测器的生成步骤具体为(1)系统分解步骤对卫星姿态控制系统进行分解生成正常子系统5=^^1+《，4为正常子系统状态变量A的导数A与正常子系统状态变量^的线性系数，4为正常子系统状态变量S的导数A与正常子系统控制输入变量u的线性系数，A为第一传感器测量输出变量A与正常子系统状态变量^的线性系数；以及故障子系统，:《3& + 52 ， A为故障子系统状态变量i^的导数^与故障子系统状态变量x 的线性系数，》2为故障子系统状态变量; 2的导数^与 故障子系统控制形式输入变量的线性系数，^为第二传感器 形式输出变量A与故障子系统状态变量^的线性系数，A^， A为 第二传感器形式输出变量j>2与正常子系统状态变量&间的线性系数取反，T 表示矩阵转置；上述各系数满足以下关系逸=[4》2]，<formula>formula see original document page 3</formula>(2)正常KX观测器的生成步骤针对正常子系统构建正常KX观测器^r一,j)^A^,(^A,化,i^fi')， 5为正常KX观测器的状态变量，^为正常KX观测器的输出变量，《为 正常KX观测器的状态变量导数i,与状...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏蛟龙，岑朝辉，蒋睿，
申请(专利权)人：魏蛟龙，岑朝辉，蒋睿，
类型：发明
国别省市：83