[发明专利]一种航天器可重构性评价方法

说明书

一种航天器可重构性评价方法，属于航天器总体技术领域，综合考虑时间约束、性能下降程度、各向重构能力分布以及可靠性下降影响。首先，给出了一种基于积分二次型函数的评价指标形式；然后，通过对指标内的权值矩阵进行详细设计，将系统的重构能力分布情况与故障引起的可靠性下降影响引入评价指标；最后，通过仿真实例，验证了本专利所提评价方法的有效性和正确性。本发明专利综合考虑了能量有限、时间受限、干扰影响等限制约束问题，更加贴近于工程实际背景，可以使设计人员了解系统在实际性能约束下的真实重构能力大小。

技术领域

本发明涉及一种航天器可重构性评价方法，属于航天器总体技术领域。

背景技术

对于航天器重构问题，无论是在设计初期对系统进行可重构性优化，还是在故障阶段对系统进行在线性能评估，都需要一个能够描述系统重构能力大小的量化指标作为设计与评价的依据，从而对冗余分配是否合理、重构措施是否有效、故障系统是否可以重构等问题进行定量评判。

由于执行器长期处于运行状态，易于损耗老化，故障尤其多发，因此研究执行器故障情况下的系统可重构性具有重要意义。针对执行器故障，现有方法多从剩余能控性的角度出发，对系统进行可重构性度量。然而，这类方法存在以下几点不足：

(1)缺乏关于约束及干扰等实际因素对可重构性影响的考虑。众所周知，真实的物理系统往往存在能量、时间及控制输入受限等大量实际约束。例如航天器控制系统，受帆板发电能力和推进剂携带量的制约，其可用能量有限；因某些特定任务(如变轨、着陆等)需要在特定的时间窗口内完成，受到相应的时间约束；由于飞轮转速饱和，其控制输入力矩有界。此外，在轨运行的航天器不可避免地会受到空间各种干扰力矩的作用，例如重力梯度力矩、太阳辐射力矩、气动力矩以及地磁力矩等环境干扰力矩，还有活动部件转动力矩、飞轮内部摩擦力矩、太阳能电池阵驱动力矩以及挠性结构耦合力矩等非环境干扰力矩。由此可见，要描述一个控制系统的实际重构能力，除了考察其剩余能控性以外，还需要考虑安全时间、运行条件以及资源配置等实际问题。否则，故障系统即使依然能控，也可能会因为重构代价过大、所需时间过长，而失去实际意义上的可重构性。

(2)难以反映系统重构潜力分布的合理性且无法对不同系统进行直接对比。传统的可重构性评价方法多以系统剩余控制能力的最小绝对值为指标，进行可重构性度量。然而，由于不同系统之间、同一系统不同方向之间的期望重构能力不尽相同，最“小”并不一定最“弱”，因此上述方法难以反映系统重构潜力分布的合理性，也无法对不同系统进行直接对比。以该类评价指标为依据，对系统进行优化设计效果有限，可能会出现部分方向冗余过剩的情况，导致质量与成本的提高以及可用资源的浪费。

(3)未将可靠性下降对系统可重构性的影响引入评价指标。现有研究大都将可重构性与可靠性分离开来讨论，然而，同属于提升系统质量特性的工具，可重构性与可靠性之间会相互影响。某执行器故障以后，其可靠性会有所降低，此时若承担过重的控制任务，则会加速故障的扩散，削弱系统的实际可重构性。因此，在未考虑可靠性影响的前提下，即使故障执行器具备充分的剩余能控性，也不一定能够高可靠地顺利完成整个重构过程。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种航天器可重构性评价方法，综合考虑时间约束、性能下降程度、各向重构能力分布以及可靠性下降影响。首先，给出了一种基于积分二次型函数的评价指标形式；然后，通过对指标内的权值矩阵进行详细设计，将系统的重构能力分布情况与故障引起的可靠性下降影响引入评价指标；最后，通过仿真实例，验证了本专利所提评价方法的有效性和正确性。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种航天器可重构性评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立执行器故障、环境干扰、时间受限条件下的航天器系统故障模型；所述时间受限条件是指故障发生时刻未知，且任务完成时间确定；