挠性卫星执行器故障下的反步容错控制

在轨挠性卫星的工作环境恶劣,不仅有外部干扰和挠性附件振动引起的内部干扰影响本体的姿态,还可能发生执行器故障。针对存在外部干扰和执行器故障的挠性卫星,提出了一种基于故障估计器的容错控制策略。首先,针对未知的外部干扰和执行器故障构造辅助系统,并利用投影函数设计自适应故障估计器估计执行器效率损失因子,同时设计了基于参数自适应律的方法补偿外部干扰、挠性部件震荡引起的内部干扰和执行器加性故障。然后,借助估计信息设计了基于反步法的容错控制器,并利用Lyapunov方法分析了闭环系统的稳定性,进而确保研究的控制方法能够使得挠性卫星的姿态和角速度有效跟踪期望信号。最后,通过数值仿真对比验证了所设计控制器的有效性。该容错控制策略能保证挠性卫星在内外部干扰和执行器故障下的跟踪控制效果,具有实际应用价值。     

基于自适应动态规划的运载火箭智能姿态容错控制

针对运作火箭主动段发动机摆动执行机构故障下的姿态控制问题,结合自适应动态规划（ADP）方法设计了一种智能容错控制策略。该智能容错控制器主要包括2部分：容错稳定控制部分和优化补偿部分。容错稳定控制部分利用自适应和滑模变结构控制设计,主要维持执行机构故障下姿态控制系统的稳定,保证姿态跟踪误差的有限时间收敛;优化补偿部分采用执行-评价结构,利用ADP的在线学习优势,根据姿态系统的跟踪误差（尤其是系统故障、强干扰导致的跟踪偏差）,设计ADP算法产生补偿控制来进一步优化姿态控制系统的跟踪性能。仿真验证表明,即使存在外部干扰和执行机构故障的情况下,所提方法仍能保证系统稳定且精确跟踪指令信号。     

卫星姿态时延反步容错控制

针对卫星在轨飞行过程中存在执行机构故障及带有常值干扰的控制问题,提出了一种将时延控制(TDC)与反步技术相结合的鲁棒容错控制方法。该方法在继承反步控制优点的同时,引入积分环节用于减小常值干扰引起的稳态误差;同时,利用TDC的逼近能力来补偿执行机构的故障,且对设计者而言,故障信息不需要进行在线的检测和分离,而仅需要一步状态迭代。基于Lyapunov方法从理论上证明了系统的稳定性。最后,将该方法应用于卫星的姿态调节控制,仿真结果表明该控制器能有效地抑制外部干扰、参数不确定性和执行机构故障的约束,在完成姿态调节控制的同时,具有良好的过渡过程品质。     

卫星姿态控制系统容错控制综述

主要针对卫星姿态系统容错控制研究领域已有的成果进行了回顾。总结了国内外卫星容错控制的现有成果,主要从卫星姿态控制系统的可重构性、单体卫星容错控制和卫星编队容错控制3个部分对相关的研究成果进行了归纳分析。其中,卫星姿态系统的可重构性从重构目标和系统功能要求两方面进行分析;对单体卫星容错控制现状的介绍主要从自适应技术、滑模理论、预设性能、干扰观测器、故障估计观测器几个方面展开;卫星编队容错控制方法从独立容错、协同容错、拓扑重构和组成重构的角度进行阐述。最后进行总结,并展望了卫星姿态控制系统容错控制领域未来可能出现的新问题和研究思路。     

推力器故障的刚体航天器自适应变结构容错控制

 针对刚体航天器存在未知惯量参数、推力器故障以及控制受限的姿态控制问题,提出了一类自适应变结构容错控制方法,显式地引入推力器输出的饱和幅值,以确保控制输出在其要求界的范围内;同时,引入控制参数在线自适应调整技术,提高了控制律对参数、干扰以及故障变化的自适应能力;对设计者而言,推力器故障信息不需要进行在线检测和分离。此外,进一步考虑存在推力偏差对系统性能的影响,设计控制器参数使得闭环系统对这类推力偏差具有L₂增益稳定性。最后,将设计的控制器应用于航天器的姿态机动控制,仿真结果表明该控制器能有效地抑制外部干扰、参数不确定性和推力器各种故障的约束,在完成姿态机动的同时,保证其控制输出满足饱和受限界的要求。     

基于反步法的航天器有限时间姿态跟踪容错控制

针对存在外部干扰、控制饱和以及执行器故障的航天器姿态跟踪控制问题,提出了基于反步法的有限时间控制方案。通过引入一类新型的具有有限时间收敛特性的积分式滑模面,设计了满足多约束的有限时间容错姿态跟踪控制器,并利用参数自适应方法使控制器设计不依赖于系统惯量信息和外部干扰的界。该容错控制方案的设计无需在线故障信息检测、分离甚至控制器重构,并显式地考虑了执行器输出的饱和幅值要求。稳定性分析表明:在控制饱和甚至执行器故障等多约束的条件下,本文所设计的控制器不仅保证了姿态跟踪的有限时间收敛性,且对于执行器故障具有优越的容错能力;数值仿真分析进一步验证了该控制器的控制性能,以及对外部干扰和系统不确定性的鲁棒性。     

航天器自适应快速非奇异终端滑模容错控制

针对存在外部干扰、转动惯量矩阵不确定、控制器饱和以及执行器故障的航天器姿态跟踪控制问题,提出了基于自适应快速非奇异终端滑模的有限时间收敛控制方案。通过引入能够避免奇异点的具有有限时间收敛特性的快速非奇异终端滑模面,设计了满足多约束的有限时间姿态跟踪容错控制器,并利用参数自适应方法使控制器设计不依赖于系统惯量信息和外部干扰的上界。此外,所设计的控制器显式考虑了执行器输出力矩的饱和幅值特性,使航天器在饱和幅值的限制下完成姿态跟踪控制任务,并且无须进行在线故障估计。Lyapunov稳定性分析表明：在外部干扰、转动惯量矩阵不确定、控制器饱和以及执行器故障等约束条件下,所设计的控制器能够保证闭环系统的快速收敛性,而且对控制器饱和与执行器故障具有良好的容错性能。数值仿真校验了该控制器在姿态跟踪控制中的优良性能。     

基于ATSUKF算法的卫星姿控系统故障估计

针对卫星姿态控制过程中可能发生的执行机构或敏感器故障,提出了一种基于无损卡尔曼滤波（UKF）及偏差分离原理的自适应二阶无损卡尔曼滤波（ATSUKF）算法。首先,提出TSUKF算法,通过UKF处理姿态机动时的非线性并通过偏差分离原理将非线性系统的状态及故障分别估计,避免非线性模型的线性化过程同时降低了计算过程中的矩阵维度。然后,在TSUKF算法的基础上提出了ATSUKF算法,通过滑动窗口内的残差计算自适应矩阵,使滤波器在统计特性不准确的情况下仍然具有较快的收敛速度,特别适用于卫星快速机动过程中的姿态与故障估计。数值仿真结果表明,ATSUKF算法相较于TSUKF算法能有效降低统计特性不准对系统造成的不利影响,实现卫星姿态、执行机构/敏感器故障的快速估计。     

基于变结构控制器的敏捷卫星姿态机动方法

随着遥感卫星观测能力的逐步提升,对卫星敏捷机动能力提出了更高的要求。针对敏捷卫星大角度姿态机动问题,以6个单框架控制力矩陀螺(SGCMG)组成五棱锥构型的姿态控制系统执行机构,在构建敏捷卫星姿态运动数学模型以及设计SGCMG系统操纵律的基础上,对卫星绕Euler轴进行姿态机动的角轨迹进行规划,并设计了一种基于误差四元数与误差角速度的变结构控制器。仿真及在轨验证结果表明,该控制器能够完成规划轨迹的良好跟踪且具有较强的鲁棒性,研究成果对敏捷卫星姿态控制系统的设计具有重要的参考意义。     

考虑预设性能约束的运输机姿态容错控制

针对运输机舵面故障情况下的姿态容错控制问题,提出了一种考虑预设性能约束的自适应指令滤波增量反步(Adaptive Command-filtered Incremental Backstepping,ACFIBS)容错控制器。首先,构造运输机故障模型,在反步控制设计结构下,通过构造预设性能函数,保证外回路姿态角跟踪误差的动态性能。然后,考虑舵机偏转速率和幅值限制,引入受限指令滤波器和补偿信号,综合考虑气动参数不确定性,采用增量方法设计反步内环控制律。在此基础上,进一步考虑舵面故障情况,引入自适应方法及低通滤波器改进增量反步控制器。最后,通过理论推导和仿真试验验证了控制方法的有效性。仿真结果表明,所设计的控制器具有良好的容错性能,在不同舵面故障条件下均可实现对指令信号的预设性能跟踪,且在参数摄动情况下具有较强的鲁棒性。     

基于 Nussbaum函数的多无人机预设性能反步容错协同控制

针对多无人机协同执行任务过程中遭遇执行器增益故障下的安全飞行控制问题,设计了 1种预设性能反步容错姿态跟踪控制方案,以实现故障下的多无人机姿态同步跟踪控制。首先,定义飞行器的姿态同步跟踪误差和姿态角速率跟踪误差,分别利用预设性能函数对 2种误差进行约束,将不等式约束转化为等式约束。其次,基于转换误差设计反步容错姿态同步跟踪控制器,应用 Nussbaum函数解决由增益故障引起的未知控制增益问题。Lyapunov稳定性分析表明,姿态同步跟踪误差与姿态角速率跟踪误差稳定且收敛。仿真结果验证了控制方案的可行性以及有效性。     

A novel two-stage extended Kalman filter algorithm for reaction flywheels fault estimation

This paper investigates the problem of two-stage extended Kalman filter(TSEKF)-based fault estimation for reaction flywheels in satellite attitude control systems(ACSs). Firstly, based on the separate-bias principle, a satellite ACSs with actuator fault is transformed into an augmented nonlinear discrete stochastic model; then, a novel TSEKF is suggested such that it can simultaneously estimate satellite attitude information and actuator faults no matter they are additive or multiplicative; finally, the proposed approach is respectively applied to estimating bias faults and loss of effectiveness for reaction flywheels in satellite ACSs, and simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed fault estimation approach.     

Fault tolerant attitude control of under-actuated spacecraft: Theory and experiment

This paper investigates fault tolerant attitude control theory and experiment for under-actuated spacecraft with one reaction wheel completely broken and two others suffering actuator faults of partial loss of effectiveness or bias. A non-smooth robust adaptive fault tolerant control law is proposed under the zero-momentum and input saturation conditions. It shows that the available reaction wheels need to produce sufficient control torque for the fault tolerance. Such a new control method is implemented in a semi-physical simulation system of an air-bearing platform. Experimental results show the effectiveness of the proposed method in spacecraft practical engineering.     

Accelerated Landweber iteration based control allocation for fault tolerant control of reusable launch vehicle

This paper presents a novel Fault Tolerant Control(FTC) scheme based on accelerated Landweber iteration and redistribution mechanism for a horizontal takeoff horizontal landing reusable launch vehicle(RLV). First, an adaptive law based on fixed-time non-singular fast terminal sliding mode control(NFTSMC), which focuses on the attitude tracking controller design for RLV in the presence of model couplings, parameter uncertainties and external disturbances, is proposed to produce virtual control co...     

Adaptive Integral-type Sliding Mode Control for Spacecraft Attitude Maneuvering Under Actuator Stuck Failures

A fault tolerant control (FTC) design technique against actuator stuck faults is investigated using integral-type sliding mode control (ISMC) with application to spacecraft attitude maneuvering control system. The principle of the proposed FTC scheme is to design an integral-type sliding mode attitude controller using on-line parameter adaptive updating law to compensate for the effects of stuck actuators. This adaptive law also provides both the estimates of the system parameters and external disturbances such that a prior knowledge of the spacecraft inertia or boundedness of disturbances is not required. Moreover, by including the integral feedback term, the designed controller can not only tolerate actuator stuck faults, but also compensate the disturbances with constant components. For the synthesis of controller, the fault time, patterns and values are unknown in advance, as motivated from a practical spacecraft control application. Complete stability and performance analysis are presented and illustrative simulation results of application to a spacecraft show that high precise attitude control with zero steady-error is successfully achieved using various scenarios of stuck failures in actuators.     

Simultaneous state and actuator fault estimation for satellite attitude control systems

In this paper, a new nonlinear augmented observer is proposed and applied to satellite attitude control systems. The observer can estimate system state and actuator fault simultaneously. It can enhance the performances of rapidly-varying faults estimation. Only original system matrices are adopted in the parameter design. The considered faults can be unbounded, and the proposed augmented observer can estimate a large class of faults. Systems without disturbances and the fault whose finite times derivatives are zero piecewise are initially considered, followed by a discussion of a general situation where the system is subject to disturbances and the finite times derivatives of the faults are not null but bounded. For the considered nonlinear system, convergence conditions of the observer are provided and the stability analysis is performed using Lyapunov direct method. Then a feasible algorithm is explored to compute the observer parameters using linear matrix inequalities (LMIs). Finally, the effectiveness of the proposed approach is illustrated by considering an example of a closed-loop satellite attitude control system. The simulation results show satisfactory perfor-mance in estimating states and actuator faults. It also shows that multiple faults can be estimated successfully.     

自适应滑模容错跟踪飞行控制律的设计

当飞行控制系统操纵面发生卡死或控制效率损伤故障时,采用自适应滑模控制方法进行容错跟踪飞行控制律的设计。采用单位向量法进行滑模控制器的设计,利用李雅普诺夫理论和Barbalat引理设计自适应滑模调节规律,同时能够保证闭环系统的渐近稳定性。利用某型飞机线性化模型进行仿真,结果表明,带有自适应调节规律的滑模控制方法不仅适合于正常情况下飞行控制律的设计,而且对操纵面损伤和卡死故障情况具有较强的适应能力,具有很好的跟踪控制效果和强鲁棒性。