[发明专利]一种执行机构故障诊断与容错控制的一体化方法和系统

说明书

一种执行机构故障诊断与容错控制的一体化方法，首先将描述执行机构具体故障模式的有效因子Γ(n)与控制器增益参数K(n)当作整体，将综合控制律的重构问题转换成双线性不等式组的约束优化问题；然后，对该约束优化问题进行快速求解，得到综合控制律最后，采用卡尔曼滤波算法在线估计有效因子Γ(n)，并通过的同步运算得到故障后所需的容错控制器增益参数K(n)。本发明方法有效减小了故障的影响程度、降低了系统的安全性风险，确保了航天器控制系统对执行机构不同故障模式能够自主做到实时诊断与快速重构，极大减轻了在轨运行阶段有限资源约束下的星上计算压力，增强了方法的工程适用性。

技术领域

本发明属于航天控制领域，涉及一种适用于航天器控制系统中执行机构发生故障后的诊断与容错控制一体化方法和系统。

背景技术

自主化是未来航天器控制向智能化发展的重要趋势，在轨运行的执行机构实现自主故障诊断与容错控制是发展空间智能自主控制的关键支撑技术之一，为提高航天器的可靠性、可维护性和有效性开辟了一条新途径，已成为当今航天领域的研究热点和研究难点。

目前，在轨及在研型号中所应用的故障诊断技术，大多是利用系统的状态残差进行诊断，这种故障诊断方法的正确性依赖于设定的阈值，此值的设定较为复杂，影响了故障诊断的准确性。鉴于此，有必要将故障重构的思想引入到航天器故障诊断技术的研究工作中，并利用重构的故障完成容错控制器的设计。在该研究领域，对于执行机构发生的性能下降故障，传统方法是先对故障进行估计然后进行控制器增益参数的调整，这样会扩大故障的影响程度、增加系统的安全性风险，难以保证航天器控制系统对故障做到实时诊断与快速重构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服了现有方法由于将执行机构的故障诊断与容错控制人为割裂分别单独设计而造成的资源浪费、快速性和实时性响应不够等方面的不足，提供了一种适用于航天器控制系统中执行机构发生故障之后的自主诊断与容错控制的一体化方法和系统，用故障有效因子描述执行机构的具体故障模式，将故障有效因子与控制器增益参数当作整体，采用最优估计及区域极点配置方法对其进行快速估计与同步解算，实现了故障诊断与容错控制的一体化协同设计，进而保证了控制系统的实时性和快速性。

本发明所采用的技术方案是：一种执行机构故障诊断与容错控制的一体化方法，包括步骤如下：

(1)利用区域极点配置原理，将综合控制律的设计问题转换成双线性不等式组的约束优化问题，包括步骤如下：

步骤1.1：建立执行机构发生故障时航天器控制系统的数学模型，该模型采用如下离散时变形式的状态空间模型进行描述：

其中，Γ(n)为描述执行机构具体故障模式的有效因子，x(n)、u(n)和y(n)分别为系统的状态变量、输入变量和输出变量，w(n)和v(n)分别为系统的过程噪声变量和测量噪声变量，A(n)、B(n)和C(n)分别为系统的动力学模型矩阵、执行机构安装矩阵以及敏感器安装矩阵，n表示系统的第n个时刻。

步骤1.2：根据以上得到的数学模型，基于区域极点配置原理，通过设计综合控制律使得对称正定矩阵X₁(n)、X₂(n)和X₃(n)满足以下双线性不等式组，即可保证系统在复平面的一个适当区域(稳定区域)内满足动态特性和稳定性要求；至此，已将综合控制律的设计问题转换成双线性不等式组的约束优化问题。

[A(n)+B(n)Γ(n)K(n)C(n)]X₁(n)+X₁(n)[A(n)+B(n)Γ(n)K(n)C(n)]^T+2αX₁(n)0

其中：