[发明专利]一种具有抗干扰容错性能的滑模控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有抗干扰容错性能的滑模控制方法，该方法可用于输入受限系统的抗干扰容错控制，如受飞轮最大转速限制输入力矩的卫星、飞机等航空航天及深空探测领域的姿态控制子系统。

背景技术

随着航天器任务的复杂化，对姿态控制精度的要求也越来越高，航天器的高精度姿态控制成为国内外研究热点。航天器运行的空间环境复杂，受到外界及内部的多源干扰及未建模动态，且姿态控制系统故障发生概率较高。敏感器、飞轮等的故障会导致任务中断甚至失效，为提高系统的可靠性，必须采用精确地故障诊断与容错控制方法。同时，未建模动态、未知参数、随机干扰与其他等价干扰变量等多种因素导致飞行器姿态控制系统建模不精确，造成控制精度下降甚至失稳，航天器抗干扰姿态控制方法非常重要。另外，飞轮受到最大转速的限制，产生的输入力矩受限，系统存在输入饱和的问题。输入饱和会影响系统的控制性能，容易造成系统失稳，必须在控制器的设计过程中加以考虑。

针对上述问题，国内外学者提出了很多有效的方法。当系统中存在只存在导数有界时变故障的情况下，故障诊断方法分为基于动态数学模型的方法、基于信号处理的方法和基于知识的方法，其中基于观测器的方法、基于神经网络的方法以及小波变换的研究非常广泛。系统中只存在可建模干扰的情况下，基于干扰观测器的控制可以对干扰估计并抵消，优点为结构简单，针对系统的不同性能要求可以结合不同的控制方法。以上方法都不能应用于存在故障、干扰和输入饱和限制的系统控制中。

近年来，滑模控制因其所具有的优良特性而受到越来越高的重视，该方法对参数变化和扰动不敏感，结构简单，适用于卫星姿态控制系统的控制。由于姿态控制系统中的故障和干扰影响，滑模控制方法极易发生抖振现象，此前有学者设计干扰观测器抵消干扰的影响，改善滑模控制的抖振问题，实现高可靠性和高精度姿态控制，但没有考虑到故障。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对输入饱和的多源干扰系统，提出一种具有故障补偿与干扰抵消和抑制性能的滑模控制方法。通过设计故障诊断观测器与干扰观测器，对系统中的故障与干扰进行估计与抵消，设计滑模控制器对参数不确定和扰动具有鲁棒性。

本发明的技术解决方案为：一种具有抗干扰容错性能的滑模控制方法，其特征在于包括以下步骤：

首先，考虑系统中的故障和多源干扰，建立系统的动力学模型；其次，设计故障诊断观测器和干扰观测器估计系统中的故障和可建模干扰；再次，求解干扰观测器与故障诊断观测器的增益矩阵；然后，设计滑模控制器，将干扰和故障估计值代入控制器中补偿等价干扰和故障；最后，分析控制器稳定性，在系统输入饱和的前提下求解滑模增益；具体步骤如下：

第一步，考虑系统中的故障和多源干扰，建立系统的动力学模型

搭建包含故障与干扰的系统动力学模型，如下所示：