Predictive fault-tolerant control of an all-thruster satellite in 6-DOF motion via neural network model updating

The problem of controlling an all-thruster spacecraft in the coupled translational-rotational motion in presence of actuators fault and/or failure is investigated in this paper. The nonlinear model predictive control approach is used because of its ability to predict the future behavior of the system. The fault/failure of the thrusters changes the mapping between the commanded forces to the thrusters and actual force/torque generated by the thruster system. Thus, the basic six degree-of-freedom kinetic equations are separated from this mapping and a set of neural networks are trained off-line to learn the kinetic equations. Then, two neural networks are attached to these trained networks in order to learn the thruster commands to force/torque mappings on-line. Different off-nominal conditions are modeled so that neural networks can detect any failure and fault, including scale factor and misalignment of thrusters. A simple model of the spacecraft relative motion is used in MPC to decrease the computational burden. However, a precise model by the means of orbit propagation including different types of perturbation is utilized to evaluate the usefulness of the proposed approach in actual conditions. The numerical simulation shows that this method can successfully control the all-thruster spacecraft with ON-OFF thrusters in different combinations of thruster fault and/or failure.     

非线性系统多故障诊断方法

给出了非线性系统的一种基于模糊奇偶方程的多故障诊断方法.解决了非线性系统中同时出现多种故障时的故障检测与识别问题.首先构造线性系统的全解耦奇偶方程,再应用T-S模型融合非线性系统各个工作点处的线性模型的全解耦奇偶方程得到模糊奇偶方程.模糊奇偶方程产生的残差仅对一个执行器故障敏感、对一个传感器不敏感,而对其他执行器不敏感、对其他传感器敏感.将传感器和执行器故障模型表示成偏差的形式,根据残差信息可以估计出故障的模型参数.给出了应用递推最小二乘方法对各故障模型的参数进行估计的方法.给出了铁路牵引控制系统的感应电机仿真实例.结果表明,新方法能够对传感器故障和执行器故障同时存在的多故障进行诊断.     

航空发动机传感器与执行机构信息重构算法

为实现航空发动机传感器与执行结构在故障情形下的故障幅值估计及信息重构,缓解故障对发动机性能的影响,在已有故障检测和故障隔离算法的基础上,提出一种基于修正的广义似然比（GLR）方法的信息重构算法。针对某型民用涡扇发动机的传感器与执行机构发生恒偏差与漂移故障的情形下进行了仿真验证。结果表明:基于修正的GLR方法对传感器和执行机构恒偏差和漂移故障的故障幅值估计具有较高的精度,两种故障情形下故障幅值的估计值的均方根误差均不超过0.005,故障部件信息重构后故障对系统性能的影响得到有效缓解。      

一类卫星推力器布局的多目标优化设计方法

针对一类卫星平台的推力器布局进行优化方法建模,给出推力器布局设计原则和优化指标,将推力器布局问题转化为一个多约束多目标寻优问题．最后对IntelSat—VII／VIIA推力器布局进行优化设计,优化结果达到了预期效果,验证了本文方法和指标的有效性．     

基于驱动或结构冗余的并联机器人容错方法

研究了并联机器人利用驱动冗余进行驱动器故障容错及利用结构冗余进行关节故障容错的方法.结合冗余驱动并联机构的力矩分配问题的多解性,分析了部分驱动器故障后在剩余正常工作驱动器之间重新分配驱动力矩以实现容错的方法.结合结构冗余并联机构的特点,分析了放弃部分结构自由度以完成操作任务的方法.从运动学和动力学角度讨论了两类冗余机器人的特点及容错的可能性,以一种平面三自由度并联机构为实例,针对驱动器及关节故障分别分析了故障后机构运动学和动力学性能的变化,验证了采用驱动及结构的冗余进行容错的可行性.     

基于多信号流图与分支定界算法的故障诊断

针对实时在线故障诊断问题,提出了一种基于多信号流图和分支定界算法的故障诊断方法。通过建立多信号流图模型生成相关矩阵作为诊断知识,进而由相关矩阵以及观测向量产生冲突集,使最小诊断集的求解过程映射为整数规划问题;采用分支定界算法,通过对冲突集的分支、定界以及剪支得到故障诊断的最优解,从而避免了穷举问题造成的搜索"爆炸"。以某型机载燃油系统为对象对本文提出的算法进行了验证。结果表明:本文算法与常用的多信号流图诊断推理算法TEAMS-RT相比,算法速度相当,故障定位精度更高,很好地涵盖单故障以及多故障组合,可以胜任大规模复杂系统的故障诊断。      

面向进化容错的FPGA故障模型研究

不同的容错方法需采用不同的故障模型。文章分析了进化容错方法的特点,提出需要研究与之相适应的FPGA故障模型。首先从故障模型定义出发提出故障模型划分的思想,从不同的角度研究FPGA故障模型;然后根据基于SRAM的FPGA的结构特点,从功能角度和配置角度提出两种FPGA故障模型划分,分析了两种故障模型划分方法所适用的容错方法。从配置角度划分FPGA故障模型有利于简化进化容错方法中的故障检测环节。故障检测实验的结果说明这种划分方法是有效的。     

基于ASTSMO和UIO的故障估计方法

针对系统在有未知干扰情况下的故障估计问题,提出一种基于自适应Super-Twisting滑模观测器（ASTSMO）和未知输入观测器（UIO）的故障估计方法。不需要已知故障导数的上界,避免了现有自适应算法存在的滑模增益过估计问题,并且能够处理多执行器同时发生故障的情况。首先,通过非奇异变换将原系统降阶为两个子系统,其中一个子系统只受故障的影响,另一个子系统同时含有故障和不确定干扰。对两个子系统分别设计ASTSMO观测器和UIO观测器,并对误差系统有限时间内收敛的条件进行了证明,同时给出了滑模增益初始值和时变增益的设计方法。然后,基于等效控制的概念对故障进行检测和估计。最后,通过仿真算例验证了所提故障估计方法的有效性。      

卫星姿态容错控制系统的鲁棒自适应逆最优控制

针对卫星姿态控制系统中的执行机构和敏感器故障问题,将系统不确定性参数作为在线估计自适应参数,并考虑系统故障检测与诊断结果的不确定性,基于逆最优原理采用积分反推方法求解辅助系统的自适应控制Lyapunov函数,设计了能够确保原系统鲁棒稳定的自适应逆最优控制器并给出了详细的证明。最后进行了数学仿真,仿真结果表明文中设计的容错控制方法合理有效。     

基于误差空间的航天器姿态反步容错控制

提出了一种基于误差空间的航天器姿态反步容错控制方法,以反作用飞轮作为航天器的执行器,在考虑反作用飞轮存在安装偏差及故障的情况下,仍可保证航天器姿态的稳定性。首先,基于Lyapunov稳定性原理,根据系统机械能变化构造了具有普遍性的Lyapunov方程。通过反步递推方法,得到了适用于航天器存在执行器偏差及故障情况的普遍性的容错控制方法;然后,通过误差空间拓扑所得的误差函数描述了势能误差。从几何层面上看,这是描述势能误差的最短路径选择,从而得到了基于误差空间的反步容错控制方法。因此,在对航天器进行姿态控制时,该方法可以迅速调整增益,使得系统姿态误差迅速收敛至零,从而有效减少系统响应时间;最终,通过对考虑执行器偏差及故障情况的航天器姿态控制系统使用不同的控制方法进行数值仿真,验证了该方法能够在执行器故障情况下依然保持系统姿态的稳定,且具备良好的响应速度。     

一种新的故障方法及其在直升机中的应用

提出了一种新的故障检测方法,该方法采用小波系数描述系统的故障特征,以模糊树模型作为系统故障特征的分类模型,并将此方法应用于直升机作动器的实时故障检测. 仿真结果表明,这种故障检测方法结合了小波变换和模糊树模型的特点,具有检测精度高、抗噪声和跟踪系统参数变化的能力强及特别适合于处理高维数据等优点.     

挠性梁振动控制中敏感器/致动器的优化配置

依据压电敏感方程和压电致动方程 ,给出了粘贴有若干压电片的挠性梁的数学模型 ;基于结构模态在可控可观性子空间上的正交投影 ,提出了压电敏感器 /致动器位置的优化设计方法 ,并将可控和可观格莱姆矩阵作为加权矩阵反映可控可观的测度。仿真计算结果表明 ,采用优化的压电敏感器 /致动器能够有效抑制悬臂梁的振动     

Spacecraft formation flying control around L2 sun-earth libration point using on–off SDRE approach

In this paper, on–off SDRE control approach is presented for spacecraft formation flying control around sun-earth L2 libration point. Orbits around libration points are significant targets for many space missions mainly because of efficient fuel consumption. Furthermore, less propellant usage can be achieved by considering optimal control approaches in spacecraft formation flying control design. Among various nonlinear and optimal control methods, SDRE has shown to be a popular controller in various missions due to the privileges including efficiency, accuracy and robustness. The spacecraft are assumed to have on–off thrusters as actuators. It requires them to be fed with a sequence of on–off pulses which is regarded as a challenge for spacecraft designers. Hence, the main contribution of this paper is designing an on–off SDRE approach for the formation flight around sun-earth L2 point with uncertainty with energy and accuracy considerations. Including on–off input as a constraint is not feasible for SDRE implementation because it makes the system non-affine. An alternative is utilizing an integral action technique and an auxiliary control to make the system affine which leads to on–off SDRE approach. It has also been shown that the proposed method is robust against parametric uncertainties of the states. Present study aims to design an energy-beneficial, simple and attractive controller for a complex nonlinear system with on–off inputs and uncertainty in CRTBP. Simulation results show that the on–off SDRE control could provide the formation flight around L2 point with high accuracy using less energy consumption.     

Constant thrust fuel-optimal control for spacecraft rendezvous

In this paper, constant thrust rendezvous is studied and the optimal rendezvous time is calculated by using continuous genetic algorithm. Firstly, the relative position parameters of the target spacecraft are obtained by using the vision measurement and the target maneuver positions are calculated through the isochronous interpolation method. Then, the results of the calculation of constant thrust rendezvous is founded by processing with multivariate linear regression method. Next, a new switching control law is designed based on the thrust acceleration sequence and the on time of thrusters which can be computed by the time series analysis method. The perturbations and fuel consumptions are addressed during the computation of the on time of thrusters.     

自适应压电桁架形状控制中作动器优化配置

以压电作动器为控制元件,建立了自适应桁架形状控制基本方程.考虑结构性状约束和电压限制,建立了以作动器位置和控制电压为设计变量,以形状精度、控制能量和作动器数目的加权表达式为目标函数的作动器优化配置数学模型.由于作动器和普通杆具有不同的单元刚度,作动器每一种不同的位置配置都会导致结构总刚度矩阵的变化,因此单独采用遗传算法需要进行大量的结构计算.为了减少结构分析次数,提出了多点近似、遗传算法和二次规划相结合的优化方法.算例结果表明本文方法具有很高的求解效率.      

静止轨道卫星东西位置保持控制参数的优化方法

为提高静止轨道卫星东西位置保持的轨道控制精度,提出一种优化轨道控制参数和推进剂消耗量估算的方法.这种方法考虑卫星轨道机动期间其姿态控制喷气对卫星轨道的摄动力,据此对位置保持参数中的轨控推力器点火时间进行补偿,并根据所有推力器的喷气时间估算推进剂消耗量,以修正轨控策略,实现更加精准的轨道控制效果.以在轨运行的静止轨道卫星的多次向西位置保持的变轨参数优化过程为实例,验证本方法的有效性和正确性,可应用于后续静止轨道卫星东西位置的实际操作中.     

脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究

为了对脉冲等离子体电磁加速机理有清晰的认识,为后续推力器性能的优化和产品的小型化提供理论基础,需要对脉冲等离子体推力器的特性进行数值研究。利用包含电容、电感、平行板电极、等离子体的一维集成电路模型,开展了脉冲等离子体推力器的数值模拟研究。通过改变初始放电电压和电极间距的大小,系统地研究了脉冲等离子体推力器的初始放电电压、电极间距对推力器电磁加速的影响。结果表明,在其他参数不变的情况下,推力器的推力、比冲、元冲量,以及等离子体的密度、温度随推力器初始放电电压的增加而增加;同样,增加电极间距也能够提高推力器的推力、比冲;然而,电极间的阻抗会随电极间距的增加而增加,导致推力器的点火难度也随之增加,因此脉冲等离子体的电极间距存在一个最优值。     

基于序列二次规划的推力矢量控制分配方法

  针对使用推力矢量控制的航天器,建立了游动发动机的数学模型,在分析了游动发动机摆角约束的基础上,提出了推力矢量控制分配问题。将该控制分配问题转化成以力矩误差最小和对变轨推力影响最小作为优化目标的多目标优化问题,引入序列二次规划进行求解,得到一种新的控制分配方法。仿真结果表明,该方法能够准确实现期望目标,验证了所提出的控制分配方法的可行性和有效性。     

基于非线性未知输入观测器的航天器故障诊断

针对一类满足Lipschitz条件的非线性系统,设计了一组非线性未知输入观测器,并依据故障解耦的思想,产生结构化的残差集,实现非线性系统执行器的故障隔离。研究考虑了未知扰动对非线性系统的影响,并利用Lyapunov理论证明了所设计观测器的稳定性。最后,以三轴稳定卫星的姿态控制系统为对象,仿真验证了所提方法对各种典型执行器故障诊断的有效性。