姜斌,張柯,楊浩,程月華,馬亞杰,成旺磊

南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院,南京 211106

隨著太空領(lǐng)域探索技術(shù)的需求與發(fā)展,現(xiàn)代航天技術(shù)已然成為一個(gè)國家綜合科技實(shí)力的象征,不論是在經(jīng)濟(jì)建設(shè)還是在國防軍事建設(shè)層面上都占有舉足輕重的地位。隨著中國航天領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展,為實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的深空探索任務(wù),對衛(wèi)星等空間飛行器的功能密度與系統(tǒng)復(fù)雜度的要求日益嚴(yán)格,以期有效提升空間任務(wù)執(zhí)行能力,但這不可避免的增加了系統(tǒng)故障發(fā)生的可能性[1]。為了減少衛(wèi)星在太空探測任務(wù)中對地面測控的依賴,增強(qiáng)在軌衛(wèi)星的安全性并降低運(yùn)行成本,需要提高衛(wèi)星在復(fù)雜環(huán)境下的自主運(yùn)行能力,使其能夠最大限度地自主完成探測任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),衛(wèi)星系統(tǒng)需要具備容錯(cuò)和自修復(fù)的能力,對系統(tǒng)異常狀況做出及時(shí)有效的響應(yīng),保證空間任務(wù)的順利完成的同時(shí)大幅降低經(jīng)濟(jì)損失。比如美國在航天器故障診斷與健康管理方面也投入了大量的人力物力,使得航天器運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)降低50%,且預(yù)算降低了30%。

姿態(tài)控制系統(tǒng)是衛(wèi)星系統(tǒng)最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的子系統(tǒng)之一,該系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是航天任務(wù)順利執(zhí)行的前提和保障,提高衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的可靠性顯得重要而迫切[2-3]。然而,姿態(tài)控制系統(tǒng)又是故障極易發(fā)生的子系統(tǒng),圖1為1988—2014年間遙感衛(wèi)星不同子系統(tǒng)發(fā)生故障的比例[4],其中37%的故障來自于控制系統(tǒng)。美國的預(yù)警衛(wèi)星DSP-23的姿軌控系統(tǒng)在2008年9月發(fā)生未知故障,美國安全部不得加大投資,但仍無法挽回該衛(wèi)星。

圖1 遙感衛(wèi)星分系統(tǒng)在軌故障統(tǒng)計(jì)[4]

在軌衛(wèi)星在空間運(yùn)行中遇到的不確定性因素多,且人工干預(yù)能力有限,應(yīng)用主動或被動容錯(cuò)控制技術(shù)可以有效提高姿態(tài)控制系統(tǒng)的魯棒性和在軌故障的恢復(fù)能力,保障故障情況下姿態(tài)控制系統(tǒng)的高品質(zhì)姿軌控性能[5]。文獻(xiàn)[6-7]中詳細(xì)闡述了國內(nèi)外航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)故障診斷和容錯(cuò)控制技術(shù)的重要性和發(fā)展現(xiàn)狀等,此外一系列實(shí)例也驗(yàn)證了為衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制器的有效性和必要性。例如,20世紀(jì)末就有學(xué)者在SAX衛(wèi)星的在軌拓展實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),對發(fā)生故障的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合適的容錯(cuò)控制器,可以保證衛(wèi)星繼續(xù)完成任務(wù)[8]。21世紀(jì)初,卡西尼號衛(wèi)星航天器利用冗余反作用飛輪替代發(fā)生故障的主反作用飛輪執(zhí)行有效的容錯(cuò)控制策略,滿足了衛(wèi)星的性能指向要求[9]。在遠(yuǎn)紫外光譜探測器陀螺儀性能衰退,且2個(gè)正交飛輪故障的情況下,通過重構(gòu)容錯(cuò)控制機(jī)制,利用冗余飛輪和磁力矩器可恢復(fù)部分姿態(tài)控制性能[10]。當(dāng)在軌衛(wèi)星遭受空間碎片撞擊引發(fā)故障而失去姿態(tài)穩(wěn)定控制能力后,利用卡爾曼濾波器等技術(shù)設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制器可恢復(fù)衛(wèi)星姿態(tài)控制性能[11]。在衛(wèi)星編隊(duì)過程中,面對磁力矩器失效故障和磁力矩器飽和現(xiàn)象,設(shè)計(jì)基于磁力矩器的自旋穩(wěn)定算法可實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的穩(wěn)定控制[12]。此外,有學(xué)者考慮衛(wèi)星推力器故障,以最優(yōu)查表法結(jié)合線性規(guī)劃的方法有效提高了衛(wèi)星控制系統(tǒng)的容錯(cuò)性[13]。文獻(xiàn)[14] 介紹了HJ-1A、1B衛(wèi)星上發(fā)生系統(tǒng)級和部件級故障下的姿態(tài)控制方案,通過設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制機(jī)制,衛(wèi)星順利地完成了一系列動作,控制精度也滿足指標(biāo)要求。文獻(xiàn)[15]結(jié)合冗余、自診斷和看門狗技術(shù)為皮衛(wèi)星設(shè)計(jì)了具有容錯(cuò)能力的衛(wèi)星星務(wù)管理系統(tǒng),通過綜合測試軟件驗(yàn)證了容錯(cuò)機(jī)制的良好效果。綜上所述,根據(jù)在軌衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的自主性和可靠性的發(fā)展要求,為具備更強(qiáng)的自主運(yùn)行、維護(hù)能力以面對生存條件苛刻的外太空環(huán)境,針對衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的故障問題,開展容錯(cuò)控制的理論與技術(shù)研究工作具有十分重要的學(xué)術(shù)價(jià)值、戰(zhàn)略意義和應(yīng)用前景。

本文著重歸納衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的容錯(cuò)控制技術(shù)發(fā)展情況,主要從姿態(tài)系統(tǒng)的可重構(gòu)性、單體衛(wèi)星容錯(cuò)和衛(wèi)星編隊(duì)容錯(cuò)3個(gè)方面進(jìn)行闡述和分析。最后給出了對未來研究的展望。

1 面臨的科學(xué)問題

1.1 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)可重構(gòu)性

容錯(cuò)控制實(shí)現(xiàn)的前提是控制系統(tǒng)具有對故障進(jìn)行自主處理的能力,它是系統(tǒng)的一種固有屬性,稱為可重構(gòu)性[16]。雖然控制系統(tǒng)的可重構(gòu)性于20世紀(jì)80年代就已被提出,但是對于衛(wèi)星而言,復(fù)雜多樣的空間環(huán)境、有限且寶貴的星載資源以及艱巨的任務(wù)目標(biāo)等實(shí)際工程因素導(dǎo)致衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的可重構(gòu)性研究尚未形成完整的體系[17],有如下兩方面的科學(xué)問題：

1) 如何制定可重構(gòu)性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：多樣的星載控制設(shè)備造成故障可能發(fā)生的位置、種類和程度多樣,而不同的航天任務(wù)也對應(yīng)著不同的控制目標(biāo)。所以,在制定故障后的重構(gòu)目標(biāo)時(shí),既要考慮故障設(shè)備的實(shí)際情況也要考慮所需執(zhí)行的任務(wù)目標(biāo),這給可重構(gòu)性的評價(jià)帶來了挑戰(zhàn)。

2) 如何研究不確定模型的可重構(gòu)性：衛(wèi)星本身往往具有強(qiáng)耦合、強(qiáng)非線性和剛撓耦合等特點(diǎn),加之強(qiáng)輻射、強(qiáng)干擾等復(fù)雜的工作環(huán)境,使得衛(wèi)星的數(shù)學(xué)模型難以精確建立。因而,處理具有不確定模型的衛(wèi)星控制系統(tǒng)的可重構(gòu)性是目前面臨的一個(gè)重要的科學(xué)問題。

1.2 單體衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的容錯(cuò)控制

容錯(cuò)控制技術(shù)可以增強(qiáng)單體衛(wèi)星對故障的容忍性能,對保證衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。然而對于在軌衛(wèi)星來說,系統(tǒng)內(nèi)部不確定性、剛撓耦合特性、運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性、空間任務(wù)的多樣性等內(nèi)外部影響因素給容錯(cuò)控制器的設(shè)計(jì)帶來一系列需要解決的科學(xué)問題：

1) 如何設(shè)計(jì)不確定環(huán)境下的容錯(cuò)控制器。系統(tǒng)參數(shù)不確定性、執(zhí)行器故障和外界干擾的影響具有突發(fā)性和未知性,使得不確定的先驗(yàn)知識難以精確獲得,而現(xiàn)有的容錯(cuò)控制器多基于不確定的先驗(yàn)知識。因此,處理先驗(yàn)知識匱乏的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的魯棒性和容錯(cuò)性問題是一個(gè)需要解決的問題。

2) 如何處理衛(wèi)星撓性特性。衛(wèi)星在軌期間,撓性太陽帆板的振動對其姿態(tài)影響很大,存在剛撓耦合現(xiàn)象,重要的是振動模態(tài)通常不可測量?，F(xiàn)有的大多技術(shù)均為針對剛性衛(wèi)星,忽略了撓性特性帶來影響,因此在綜合考慮撓性模態(tài)對控制器影響的背景下,如何建立容錯(cuò)機(jī)制保證姿態(tài)穩(wěn)定和跟蹤性能是亟需解決的又一科學(xué)問題。

3) 如何備具快速響應(yīng)性能。在軌衛(wèi)星為滿足實(shí)時(shí)任務(wù)的需求而需要提高系統(tǒng)的機(jī)動速度,目前應(yīng)用的技術(shù)多為漸近收斂特性,導(dǎo)致機(jī)動時(shí)間難以預(yù)先設(shè)計(jì),這制約著相關(guān)技術(shù)在衛(wèi)星實(shí)時(shí)系統(tǒng)上的廣泛應(yīng)用,因此如何提升衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)容錯(cuò)控制的快速性問題是重要而緊迫的。

4) 如何規(guī)定暫態(tài)性能約束范圍。在未知干擾、輸入飽和及執(zhí)行器故障的背景下,傳統(tǒng)方法僅限分析控制穩(wěn)態(tài)性能,對收斂過程的暫態(tài)性能少有關(guān)注,這有可能因姿態(tài)角過大導(dǎo)致失控現(xiàn)象。因此,在研究衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的容錯(cuò)性問題的同時(shí),如何規(guī)定動態(tài)收斂過程的暫態(tài)性能,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性也需要保持關(guān)注。

1.3 多衛(wèi)星編隊(duì)容錯(cuò)控制

隨著太空任務(wù)和系統(tǒng)復(fù)雜程度不斷增加,單體衛(wèi)星往往無法滿足實(shí)際任務(wù)需求,因此衛(wèi)星編隊(duì)控制問題引起了廣泛的關(guān)注。而衛(wèi)星系統(tǒng)規(guī)模的增大使得系統(tǒng)內(nèi)部任何一個(gè)環(huán)節(jié)的故障都可能破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性,帶來不可預(yù)估的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。任務(wù)的多樣性、編隊(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化以及制造維修成本的控制給衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的容錯(cuò)控制技術(shù)帶來了極大的挑戰(zhàn),具體有如下科學(xué)問題：

1) 編隊(duì)中的衛(wèi)星需要根據(jù)不同任務(wù)需求對自身位置和姿態(tài)不斷進(jìn)行調(diào)整,因此衛(wèi)星間的信息交互和協(xié)同控制極為關(guān)鍵。不同編隊(duì)系統(tǒng)中,子系統(tǒng)的通訊方式不同,如何選擇容錯(cuò)控制方案及時(shí)補(bǔ)償故障影響而避免故障在子系統(tǒng)間傳播是首要考慮的因素。

2) 若故障嚴(yán)重甚至部分子系統(tǒng)徹底損壞時(shí),傳統(tǒng)的容錯(cuò)控制方案往往無能為力。如何設(shè)計(jì)新的容錯(cuò)方案使得編隊(duì)系統(tǒng)在嚴(yán)重故障下仍能完成指定編隊(duì)任務(wù)需要進(jìn)一步研究。

3) 為了降低衛(wèi)星的制造成本,增加衛(wèi)星的有效載荷,部分衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)在制造中會去掉部分測量設(shè)備和傳感設(shè)備。在設(shè)計(jì)有效的容錯(cuò)控制方案使得編隊(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí),如何同時(shí)控制衛(wèi)星的制造成本并增加有效載荷也值得探討。

2 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的容錯(cuò)控制

容錯(cuò)控制理論研究與其工程應(yīng)用相輔相成、互為促進(jìn),本文將從衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的可重構(gòu)性、單體衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)容錯(cuò)控制和多衛(wèi)星編隊(duì)容錯(cuò)控制3個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)。圖2對上述3個(gè)方面的主要研究方向或研究方法進(jìn)行了集中歸納,下面將對具體的研究成果展開介紹。

圖2 衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)容錯(cuò)控制研究框架

2.1 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)可重構(gòu)性

針對衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)可重構(gòu)性研究面臨的制定評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和處理模型不確定性的科學(xué)問題,本節(jié)從重構(gòu)目標(biāo)和系統(tǒng)功能要求兩個(gè)角度對現(xiàn)有的可重構(gòu)性研究進(jìn)行討論。

2.1.1 基于重構(gòu)目標(biāo)的可重構(gòu)性

根據(jù)重構(gòu)目標(biāo)的不同,可重構(gòu)性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也不唯一。就衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)而言,重構(gòu)目標(biāo)通常分為完全重構(gòu)目標(biāo)、部分重構(gòu)目標(biāo)和安全重構(gòu)目標(biāo)。其中,安全重構(gòu)目標(biāo)是指故障后的衛(wèi)星放棄既定的任務(wù),在一定的安全范圍內(nèi)運(yùn)行,這意味著衛(wèi)星無法自主處理故障,是一種退而求其次的選擇。因而,目前的相關(guān)研究主要集中于前兩種重構(gòu)目標(biāo)。

完全重構(gòu)目標(biāo)是指故障發(fā)生后,系統(tǒng)在性能不下降的前提下完成既定的任務(wù),這種重構(gòu)目標(biāo)多見于任務(wù)要求嚴(yán)格的衛(wèi)星系統(tǒng),如偵察衛(wèi)星的姿態(tài)跟蹤。這就要求故障后的系統(tǒng)依然能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)間的任意轉(zhuǎn)移,故該類重構(gòu)性研究的對象是故障系統(tǒng)的剩余能控性。由于線性模型簡單、相關(guān)的能控性理論較為成熟,目前相關(guān)研究主要集中于線性方法,尤其是基于線性系統(tǒng)能控性的格蘭姆矩陣的評價(jià)方法[18-19]。如文獻(xiàn)[20]針對以線性系統(tǒng)、線性切換系統(tǒng)、線性互聯(lián)系統(tǒng)建模的系統(tǒng),分析了故障后的剩余可控性及控制能耗,給出了結(jié)合概率指標(biāo)的可重構(gòu)性結(jié)論。而針對以非線性系統(tǒng)建模的衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的可重構(gòu)性研究的嘗試可見文獻(xiàn)[21],其考慮執(zhí)行器故障,用微分幾何的方法分析故障系統(tǒng)的全局能控性和小時(shí)間局部能控性,從而評估系統(tǒng)的可重構(gòu)性。

部分重構(gòu)目標(biāo)允許故障系統(tǒng)降級完成既定任務(wù),此時(shí)不需要對衛(wèi)星的姿態(tài)完全能控,而只需保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,以便繼續(xù)完成任務(wù),如利用星載敏感器來替代失效的陀螺儀進(jìn)行衛(wèi)星定姿。文獻(xiàn)[22]利用Lyapunov函數(shù)分析法給出了執(zhí)行器故障下的可重構(gòu)條件,并將其應(yīng)用于衛(wèi)星系統(tǒng)的對接問題。文獻(xiàn)[23]引入與Lyapunov方程相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)芸匦愿裉m姆矩陣方法,對基于這一重構(gòu)目標(biāo)的可重構(gòu)性進(jìn)行了研究。

可見,上述可重構(gòu)性研究方法著眼于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的固有結(jié)構(gòu)屬性,存在兩個(gè)不足： ① 未 考慮系統(tǒng)的具體控制目標(biāo)與功能要求； ② 需 要精確的衛(wèi)星模型。針對上述兩方面不足,部分學(xué)者從系統(tǒng)功能要求入手,對可重構(gòu)性進(jìn)行了研究。

2.1.2 基于系統(tǒng)功能要求的可重構(gòu)性

基于系統(tǒng)功能要求的可重構(gòu)性方法將構(gòu)成系統(tǒng)的組件按照功能屬性分類,通過分析具有特定功能屬性的組件的冗余度,量化該功能的可重構(gòu)性。由于這類方法不需要建立精確的動力學(xué)模型,許多研究工作將其用于衛(wèi)星這類復(fù)雜系統(tǒng)。文獻(xiàn)[24]引入鍵合圖工具,從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性出發(fā),對執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器和設(shè)備故障下的可恢復(fù)性條件進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[25]利用晶格構(gòu)型圖對每種執(zhí)行器、傳感器配置的故障進(jìn)行了評估,從而得出故障系統(tǒng)可重構(gòu)性結(jié)論。文獻(xiàn)[26]基于函數(shù)目標(biāo)模型,對以線性系統(tǒng)建模的衛(wèi)星控制系統(tǒng)的可重構(gòu)性進(jìn)行了研究,引入重要度因子、風(fēng)險(xiǎn)因子評價(jià)對各種故障的可重構(gòu)性進(jìn)行評價(jià)。

雖然這類對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的依賴程度較低,具有實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn),且適用于功能復(fù)雜、多冗余的系統(tǒng),但實(shí)際方法設(shè)計(jì)往往對專家經(jīng)驗(yàn)有一定要求,且方法模型復(fù)雜度和運(yùn)算量都隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的提升而升高。

2.2 單體衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的容錯(cuò)控制

在軌衛(wèi)星長期工作在復(fù)雜多變的太空環(huán)境中,姿態(tài)控制系統(tǒng)難免會發(fā)生執(zhí)行器故障,而容錯(cuò)控制技術(shù)可以顯著增強(qiáng)單體衛(wèi)星的可靠性和安全性,針對1.2節(jié)中提到的4個(gè)科學(xué)問題,本文有針對性的從基于自適應(yīng)技術(shù)、滑模理論、預(yù)設(shè)性能、干擾觀測器和故障估計(jì)觀測器5個(gè)主要技術(shù)范疇展開詳細(xì)的討論與分析。

2.2.1 基于自適應(yīng)技術(shù)的剛性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)故障補(bǔ)償

自適應(yīng)控制方法以在線調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)參數(shù)來適應(yīng)環(huán)境的變化,比起魯棒控制、滑模控制等,其優(yōu)點(diǎn)是自學(xué)習(xí)能力。衛(wèi)星在軌運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜,易引發(fā)參數(shù)不確定性和未知的執(zhí)行器故障,在沒有先驗(yàn)知識的情況下,利用自適應(yīng)技術(shù)對衛(wèi)星系統(tǒng)中的不確定性進(jìn)行估計(jì)、補(bǔ)償,保證在未知微小故障、甚至較嚴(yán)重故障影響下系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。由此可見,自適應(yīng)控制技術(shù)相較于傳統(tǒng)控制技術(shù),在同等情況下以其更強(qiáng)的參數(shù)適應(yīng)性可獲得控制精度更高、魯棒性更強(qiáng)的控制性能。

針對空間干擾和執(zhí)行器故障等問題,自適應(yīng)技術(shù)在衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的研究中已經(jīng)得到大量應(yīng)用。文獻(xiàn)[27-28]設(shè)計(jì)了自適應(yīng)故障補(bǔ)償控制器,在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)控制衛(wèi)星姿態(tài)按照特殊的參考信號進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動。為解決系統(tǒng)狀態(tài)未知、執(zhí)行器故障和輸入飽和的姿態(tài)跟蹤問題,文獻(xiàn)[29] 設(shè)計(jì)衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)輸出反饋容錯(cuò)控制器,引入模糊自適應(yīng)觀測器估計(jì)未知狀態(tài),結(jié)合反步法和自適應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對參考軌跡的穩(wěn)定跟蹤。文獻(xiàn)[30]考慮角速度受到約束和執(zhí)行器發(fā)生失效故障和偏差故障的情況,結(jié)合指令濾波和自適應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制,保證無故障及不確定性先驗(yàn)知識下的一致有界跟蹤。文獻(xiàn)[31]考慮執(zhí)行器發(fā)生失效和失控多重故障,設(shè)計(jì)了自適應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接補(bǔ)償?shù)姆桨?在沒有先驗(yàn)知識情況下處理控制增益矩陣的不確定性,保證系統(tǒng)跟蹤誤差的全局穩(wěn)定性。此外,為解決衛(wèi)星系統(tǒng)輸入約束、執(zhí)行器故障及干擾影響下的對接問題,文獻(xiàn)[32]設(shè)計(jì)了自適應(yīng)非線性狀態(tài)反饋控制器,確保在無需干擾和故障等不確定先驗(yàn)知識的情況下閉環(huán)系統(tǒng)的有界穩(wěn)定性,保證了對接任務(wù)的順利完成。

隨著智能控制技術(shù)的成熟,引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊可實(shí)現(xiàn)對故障有效的實(shí)時(shí)估計(jì)。文獻(xiàn)[33]針對剛性航天器衛(wèi)星系統(tǒng)執(zhí)行器故障和輸入飽和的情況,利用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對故障及干擾信息的實(shí)時(shí)估計(jì),進(jìn)而基于估計(jì)信息設(shè)計(jì)了帶自適應(yīng)參數(shù)的變結(jié)構(gòu)控制器,保證了姿態(tài)系統(tǒng)良好的容錯(cuò)性和軌跡跟蹤性能。

可以發(fā)現(xiàn),基于自適應(yīng)技術(shù)的剛性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的容錯(cuò)控制研究成果較為豐富,借助人工智能技術(shù)或自適應(yīng)估計(jì)技術(shù)對干擾、故障及模型不確定性的有效估計(jì)進(jìn)一步提高了重構(gòu)控制器的控制性能。

2.2.2 基于自適應(yīng)技術(shù)的撓性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)故障補(bǔ)償

當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)帶有撓性附件,如帶有大面積拋物線撓性天線和較長的太陽帆板時(shí),其動力學(xué)則與剛體衛(wèi)星不同,呈現(xiàn)撓性特性。衛(wèi)星在軌期間,撓性太陽帆板的振動對其姿態(tài)影響很大,且振動模態(tài)因不可測量又給衛(wèi)星系統(tǒng)帶來很大的不確定性。因此在構(gòu)建姿態(tài)控制系統(tǒng)的容錯(cuò)機(jī)制的同時(shí),需要考慮撓性模態(tài)對控制器的影響,建立撓性處理模塊,以保證姿態(tài)穩(wěn)定和跟蹤性能,滿足任務(wù)的需求。

對反作用飛輪驅(qū)動下?lián)闲孕l(wèi)星的控制增益矩陣和振動模態(tài)的不確定性進(jìn)行參數(shù)化處理,利用自適應(yīng)估計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)補(bǔ)償控制器可使系統(tǒng)具有良好的自穩(wěn)定性能,實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行器失控故障有效補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)還具有對飛輪轉(zhuǎn)動以及外部干擾良好的魯棒性能。例如,文獻(xiàn)[34]對包括系統(tǒng)動力學(xué)、控制增益矩陣以及太陽帆板振動模態(tài)的不確定性進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì),利用自適應(yīng)方法對不確定參數(shù)進(jìn)行在線估計(jì)；然后利用估計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)自適應(yīng)故障補(bǔ)償控制器,保證撓性系統(tǒng)的穩(wěn)定性和漸近跟蹤性能。因此,由存在的撓性太陽帆板轉(zhuǎn)動、燃料消耗等使得衛(wèi)星系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量發(fā)生變化及執(zhí)行器突發(fā)故障等情況引發(fā)姿態(tài)系統(tǒng)的參數(shù)不確定問題,可利用自適應(yīng)思想,在線估計(jì)未知對象參數(shù),利用估計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)控制器實(shí)現(xiàn)不依賴系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

為抑制剛性和撓性附件之間的耦合效應(yīng),文獻(xiàn)[35]采用了剛體-撓性一體化設(shè)計(jì)的方法,采用齊次系統(tǒng)理論對動力學(xué)模型進(jìn)行化簡,忽略掉撓性驅(qū)動衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)之間的高階耦合項(xiàng),設(shè)計(jì)自適應(yīng)觀測器獲取撓性信息,后結(jié)合反步控制的思想,實(shí)現(xiàn)了帶有執(zhí)行器故障的撓性衛(wèi)星姿態(tài)和角速率的鎮(zhèn)定控制。該方法無需在撓性附件上附著執(zhí)行機(jī)構(gòu),僅通過衛(wèi)星系統(tǒng)自身的助力器,就可以實(shí)現(xiàn)對撓性附件引起的彈性震動的有效抑制。與之相對的,當(dāng)撓性附件上增加了執(zhí)行機(jī)構(gòu),可采用互聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)[36]。

可以發(fā)現(xiàn),對撓性衛(wèi)星的自適應(yīng)容錯(cuò)控制成果不多,而且設(shè)計(jì)思想多利用自適應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對含撓性不確定、故障等信息的估計(jì),均為被動容錯(cuò),這就可能出現(xiàn)因估計(jì)過大即保守性問題,帶來的能量損耗現(xiàn)象,目前對此還未有統(tǒng)一的研究框架,還需結(jié)合衛(wèi)星實(shí)際工程應(yīng)用做進(jìn)一步探究。

2.2.3 基于滑?？刂评碚摰男l(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)容錯(cuò)控制

滑?？刂萍夹g(shù)對處理不確定干擾及先驗(yàn)故障具有很強(qiáng)的魯棒性,這些因素與在軌衛(wèi)星面臨的復(fù)雜惡劣環(huán)境相吻合,因此滑模控制被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)控制問題,有效地處理了衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的強(qiáng)耦合、非線性特性,并保持對干擾、模型不確定性的不敏感,尤其是對處理衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的情況更為有效。此外,滑?？刂萍夹g(shù)可使衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)在質(zhì)量分布發(fā)生緩慢變化及執(zhí)行器嚴(yán)重故障的情況下繼續(xù)保持穩(wěn)定狀態(tài)。例如,文獻(xiàn)[37]考慮有執(zhí)行器故障和慣性參數(shù)不確定的情況,設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)階滑模面,結(jié)合李雅普諾夫理論和反步法設(shè)計(jì)被動容錯(cuò)控制律,實(shí)現(xiàn)姿態(tài)跟蹤誤差的漸近收斂。為實(shí)現(xiàn)主動容錯(cuò),文獻(xiàn)[38]結(jié)合故障診斷模塊和非線性積分滑模面,設(shè)計(jì)了主動容錯(cuò)控制律,同樣實(shí)現(xiàn)跟蹤誤差的漸近收斂。然而,傳統(tǒng)滑模控制雖然保證了系統(tǒng)的魯棒性和容錯(cuò)性,但無法提供有限時(shí)間誤差收斂特性,這在很大程度上制約著滑?？刂圃谛l(wèi)星實(shí)時(shí)系統(tǒng)上的廣泛應(yīng)用。為提高收斂速度同時(shí)避免奇異現(xiàn)象,有限時(shí)間和固定時(shí)間滑模面被大量學(xué)者所研究,并初具成果。以下將分別就這兩方面在剛性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)上的研究情況展開介紹。

1) 剛性衛(wèi)星的滑模容錯(cuò)控制

① 有限時(shí)間控制。文獻(xiàn)[27-38]均實(shí)現(xiàn)姿態(tài)漸近收斂,導(dǎo)致其收斂時(shí)間無法估計(jì),這可能無法滿足于衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定與機(jī)動時(shí)間上的需求。為使姿態(tài)系統(tǒng)具有良好的魯棒性、容錯(cuò)性和快速收斂性,文獻(xiàn)[39]利用有限時(shí)間理論和非奇異終端滑?？刂萍夹g(shù)設(shè)計(jì)了被動容錯(cuò)控制器,使得衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)具有了收斂快、精度高和抗干擾能力強(qiáng)等特性,更好地滿足衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)的實(shí)時(shí)性需求。文獻(xiàn)[40]則結(jié)合了反步法和有限時(shí)間理論實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的有限時(shí)間容錯(cuò)跟蹤。與文獻(xiàn)[39-40]不同的是,文獻(xiàn)[41]則引入有限時(shí)間觀測器,對包含故障信息的復(fù)雜不確定項(xiàng)設(shè)計(jì)了有限時(shí)間擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器,之后結(jié)合非奇異快速終端滑?？刂萍夹g(shù)重構(gòu)控制器確保閉環(huán)系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)抵達(dá)滑模面并保持穩(wěn)定收斂。文獻(xiàn)[42]結(jié)合積分終端滑模和自適應(yīng)技術(shù),設(shè)計(jì)了一種魯棒自適應(yīng)滑?？刂破?保證姿態(tài)系統(tǒng)受到不確定性和執(zhí)行器故障的情況下,對跟蹤指令的有限時(shí)間跟蹤。針對姿態(tài)跟蹤系統(tǒng),文獻(xiàn)[43]進(jìn)一步構(gòu)造了一種快速收斂的時(shí)變滑模面,使系統(tǒng)在受模型不確定性、執(zhí)行器故障及外界干擾的影響情況下依舊保持快速、精確的位置跟蹤性能。

此外,模糊系統(tǒng)具有強(qiáng)非線性逼近能力,有學(xué)者將其應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)故障、干擾及模型不確定性的逼近。例如文獻(xiàn)[44]利用模糊邏輯來逼近衛(wèi)星系統(tǒng)的含故障和干擾等的復(fù)雜非線性項(xiàng),然后結(jié)合PID非奇異快速終端滑模面和自適應(yīng)反步法得到了被動容控制器,實(shí)現(xiàn)快速暫態(tài)響應(yīng)、小穩(wěn)態(tài)誤差和非奇異特性的有限時(shí)間姿態(tài)跟蹤控制。雖然利用人工智能的非線性逼近能力進(jìn)行容錯(cuò)控制是一個(gè)比較有前景的研究方向,但其計(jì)算法量較大的弊端也在一定程度上影響了其在實(shí)際衛(wèi)星系統(tǒng)上的實(shí)時(shí)應(yīng)用。

② 固定時(shí)間控制。為具有固定時(shí)間收斂的良好性能,學(xué)者在文獻(xiàn)[39-44]有限時(shí)間控制的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探究了基于滑?？刂评碚摰墓潭〞r(shí)間控制方法在衛(wèi)星上的應(yīng)用問題,以期避免收斂時(shí)間對系統(tǒng)初始狀態(tài)的依賴。例如,為實(shí)現(xiàn)姿態(tài)系統(tǒng)的受執(zhí)行器飽、執(zhí)行器效率損失和加性故障影響下的固定時(shí)間穩(wěn)定性,文獻(xiàn)[45]設(shè)計(jì)了固定時(shí)間滑模面,對不確定上界加以自適應(yīng)機(jī)制進(jìn)行估計(jì),保證了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)姿態(tài)跟蹤誤差的快速收斂和收斂時(shí)間可規(guī)定的性能,文獻(xiàn)[46]也將航天器衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的有限時(shí)間控制提升到固定時(shí)間控制,結(jié)合固定時(shí)間干擾觀測器和積分滑模面,設(shè)計(jì)了固定時(shí)間收斂律,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)在執(zhí)行器故障及不確定性影響下的固定時(shí)間姿態(tài)跟蹤控制。文獻(xiàn)[47]提出了一種新型的非奇異固定時(shí)間滑模面,在有效避免了奇異值問題的同時(shí)也確保了收斂時(shí)間與系統(tǒng)初始狀態(tài)的不相關(guān)特性,在衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)受到執(zhí)行器故障和輸入飽和影響的情況下,確保姿態(tài)跟蹤誤差在全局范圍內(nèi)的固定時(shí)間收斂。為保證衛(wèi)星系統(tǒng)對接任務(wù)的順利完成和收斂時(shí)間的可設(shè)計(jì)性,文獻(xiàn)[48]考慮了對接任務(wù)過程中的固定時(shí)間容錯(cuò)控制問題,在有、無外界干擾的環(huán)境下,考慮執(zhí)行器發(fā)生增益損失故障,借助于一種新型的固定時(shí)間滑模面實(shí)現(xiàn)控制律的設(shè)計(jì),保證了閉環(huán)系統(tǒng)的固定時(shí)間穩(wěn)定性,并成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的對接任務(wù)。

由此可以得知固定時(shí)間控制技術(shù)是一種時(shí)間最優(yōu)的非線性控制方法,其優(yōu)越性不僅僅在于同樣條件下收斂速度更快,而且其抗干擾能力和容錯(cuò)性能更強(qiáng),在深空探測響應(yīng)速度和穩(wěn)定性能實(shí)際需求的背景下,固定時(shí)間控制無疑是最佳的選用方法之一。

2) 撓性衛(wèi)星的滑模容錯(cuò)控制

近年來,針對受外界干擾、參數(shù)不確定性、未知慣量矩陣及執(zhí)行器故障影響的撓性衛(wèi)星姿態(tài)問題,國內(nèi)外有學(xué)者應(yīng)用滑?？刂评碚摻鉀Q跟蹤控制問題,設(shè)計(jì)撓性模態(tài)變量、故障信息和不確定擾動的估計(jì)或逼近模塊,結(jié)合變結(jié)構(gòu)控制對不確定項(xiàng)的處理能力實(shí)現(xiàn)期望姿態(tài)全局漸近跟蹤效果。

目前,滑模控制在撓性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)用上還未有太多的成果,文獻(xiàn)[49]針對存在外部干擾、不確定甚至?xí)r變轉(zhuǎn)動慣量的撓性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng),提出了一種改進(jìn)型自適應(yīng)滑模容錯(cuò)控制方案,實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行器卡死和失效2種故障的容錯(cuò)控制。文獻(xiàn)[50]考慮撓性衛(wèi)星在模型不確定、外部干擾和執(zhí)行器故障影響下的姿態(tài)跟蹤控制問題,在無需故障診斷模塊的前提下,結(jié)合自適應(yīng)估計(jì)和滑?？刂评碚搶?shí)現(xiàn)誤差的一致有界穩(wěn)定。除對復(fù)雜不確定項(xiàng)設(shè)計(jì)自適應(yīng)估計(jì)機(jī)制外,智能估計(jì)也有所應(yīng)用,例如文獻(xiàn)[51]面對撓性不確定影響、執(zhí)行器故障及系統(tǒng)剛性部分不確定性的存在,引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對該復(fù)雜不確定項(xiàng)進(jìn)行在線估計(jì),之后設(shè)計(jì)自適應(yīng)滑模容錯(cuò)控制器進(jìn)行補(bǔ)償,仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該思想的有效性。

可以發(fā)現(xiàn),文獻(xiàn)[49-51]對不確定的實(shí)時(shí)估計(jì)均消除了對上界已知的依賴,保證了撓性衛(wèi)星航天器的在軌運(yùn)行的魯棒性和容錯(cuò)性。但在撓性衛(wèi)星航天器的姿態(tài)滑?？刂茊栴}上,收斂時(shí)間的問題還未解決,已有控制器均是實(shí)現(xiàn)漸近收斂,因此該問題還需得到進(jìn)一步的解決。

2.2.4 基于預(yù)設(shè)性能的衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)容錯(cuò)控制

衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)在未知干擾、執(zhí)行器故障、參數(shù)不確定和輸入飽和的情況下,通過對誤差信號的轉(zhuǎn)換及控制器的設(shè)計(jì),使得跟蹤誤差保持規(guī)定的暫態(tài)和穩(wěn)定性能,并能夠收斂于設(shè)定的任意小的領(lǐng)域。該方法對未知干擾、執(zhí)行器故障及轉(zhuǎn)動慣量不確定性具有不敏感性的同時(shí)還具有高可靠性和穩(wěn)定性,重要的是可以確保姿態(tài)系統(tǒng)快速的響應(yīng)和精確的跟蹤性能。

預(yù)設(shè)性能方法在衛(wèi)星容錯(cuò)控制領(lǐng)域成果鮮見,文獻(xiàn)[52]較早地嘗試在執(zhí)行器故障及存在輸入飽和情況的衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)里運(yùn)用基于預(yù)設(shè)性能的控制方法,將跟蹤誤差通過一種新型的誤差轉(zhuǎn)化機(jī)制轉(zhuǎn)換為一種等效的有界狀態(tài),并進(jìn)一步結(jié)合反步法和自適應(yīng)技術(shù)設(shè)計(jì)了基于預(yù)設(shè)性能的被動容錯(cuò)控制器,確保了衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤誤差在規(guī)定范圍內(nèi)的漸近收斂。文獻(xiàn)[53]在文獻(xiàn)[52]的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入了指令濾波器,用以補(bǔ)償執(zhí)行器飽和帶來的負(fù)面影響,同樣利用自適應(yīng)反步法設(shè)計(jì)了被動容錯(cuò)控制器,實(shí)現(xiàn)預(yù)定收斂軌跡。為了減少星上信息傳遞的負(fù)擔(dān),文獻(xiàn)[54]引入事件觸發(fā)機(jī)制,避免持續(xù)的信息傳遞,然后利用預(yù)設(shè)性能和反步法設(shè)計(jì)了容錯(cuò)跟蹤控制器,對不確定項(xiàng)設(shè)計(jì)自適應(yīng)估計(jì)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定跟蹤。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對包含飛輪故障及干擾等復(fù)雜不確定信息的精確估計(jì),文獻(xiàn)[55]將干擾觀測器和預(yù)設(shè)性能控制方法進(jìn)行了結(jié)合,將觀測器的實(shí)時(shí)觀測值引入基于動態(tài)面設(shè)計(jì)的控制器中,實(shí)現(xiàn)對故障和干擾的有效補(bǔ)償,并實(shí)現(xiàn)跟蹤誤差的給定軌跡收斂。

可以發(fā)現(xiàn),基于自適應(yīng)、滑?？刂评碚摰娜蒎e(cuò)控制方法僅限于分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能,然而當(dāng)衛(wèi)星發(fā)生執(zhí)行器故障的時(shí)候,可能導(dǎo)致其姿態(tài)角超出安全范圍,進(jìn)而出現(xiàn)失控的情況。隨著預(yù)設(shè)性能概念的引入,采用性能函數(shù)描述預(yù)設(shè)性能約束,將有誤差約束的跟蹤問題通過特定的誤差轉(zhuǎn)換變?yōu)闊o約束的鎮(zhèn)定問題,可使系統(tǒng)的動態(tài)過程滿足規(guī)定約束,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。但對基于預(yù)設(shè)性能的衛(wèi)星容錯(cuò)控制問題的研究還僅僅處于起步階段,成果很少,還需繼續(xù)做深入研究。

2.2.5 基于干擾觀測器的魯棒容錯(cuò)控制

通過設(shè)計(jì)干擾觀測器實(shí)現(xiàn)干擾估計(jì)并反饋給重構(gòu)控制器達(dá)到對干擾補(bǔ)償?shù)哪康?同時(shí)可以減小容錯(cuò)控制器的保守性。此外,干擾觀測器的設(shè)計(jì)過程相較自適應(yīng)估計(jì)算法簡單、計(jì)算量和結(jié)構(gòu)簡便,適合在計(jì)算能力和空間受約束的衛(wèi)星上應(yīng)用。目前,基于干擾觀測器的容錯(cuò)控制方法在衛(wèi)星容錯(cuò)問題上正得到日益廣泛的關(guān)注。

考慮到衛(wèi)星受執(zhí)行器故障和干擾的影響,文獻(xiàn)[56]首次引入有限時(shí)間干擾觀測器,之后利用干擾觀測值重構(gòu)控制器,結(jié)合積分滑模容錯(cuò)控制理論設(shè)計(jì)了有限時(shí)間被動容錯(cuò)控制器,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定。相較于文獻(xiàn)[56],文獻(xiàn)[57] 設(shè)計(jì)了一種魯棒非線性干擾觀測器進(jìn)一步改善了重構(gòu)控制器對干擾的魯棒性,結(jié)合自適應(yīng)和非奇異快速終端滑模控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)有限時(shí)間姿態(tài)跟蹤控制。文獻(xiàn)[55]結(jié)合非線性擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)干擾觀測器和預(yù)設(shè)性能的方法設(shè)計(jì)被動容錯(cuò)控制器,進(jìn)一步改善了姿態(tài)控制系統(tǒng)的暫態(tài)性能。為提高干擾觀測誤差的收斂速度,文獻(xiàn)[46]設(shè)計(jì)了固定時(shí)間干擾觀測器確保觀測誤差的固定時(shí)間收斂。為補(bǔ)償非匹配干擾帶來的不良影響,文獻(xiàn)[58] 設(shè)計(jì)了一種新型的非線性觀測器,結(jié)合所設(shè)計(jì)的滑模故障觀測器和滑模容錯(cuò)控制器實(shí)現(xiàn)對非匹配干擾和故障的補(bǔ)償,保證了衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

可以發(fā)現(xiàn),針對干擾問題滑?？刂剖抢酶呖刂圃鲆娅@得魯棒性,這必然帶來無法完全消除的抖振問題,而通過利用干擾觀測器給出系統(tǒng)未知干擾、故障、未建模動態(tài)的不確定觀測器,可抑制滑模抖振問題、有效降低控制器輸出力矩,防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和,這對在軌資源有限的衛(wèi)星系統(tǒng)來說顯得尤為重要。目前在衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)上利用干擾觀測器來設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制器的思想已經(jīng)獲得相應(yīng)的研究成果,尤其是固定時(shí)間觀測器的應(yīng)用可顯著提升衛(wèi)星系統(tǒng)對干擾的觀測效率,進(jìn)一步提升控制器的控制效果。

2.2.6 基于故障估計(jì)觀測器的主動容錯(cuò)控制

基于故障估計(jì)觀測器的主動容錯(cuò)技術(shù)是采用一個(gè)變化的控制結(jié)構(gòu)或控制形式,在故障發(fā)生后需要結(jié)合故障診斷和辨識模塊重新調(diào)整控制器參數(shù),進(jìn)而改變控制結(jié)構(gòu),因此依賴于故障診斷模塊的精確故障觀測值。利用觀測值重構(gòu)控制器可更好地解決被動容錯(cuò)控制中的保守性問題,此外,主動容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法、手段多樣化,結(jié)合不同的診斷和控制方法將會得到不同的容錯(cuò)控制器,目前在衛(wèi)星系統(tǒng)上已有不同代表性成果,下面將對此展開介紹。

目前,主動容錯(cuò)技術(shù)在衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中已有不少代表性的成果。例如,文獻(xiàn)[38]考慮衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)執(zhí)行器故障情況,基于多模型方法,設(shè)計(jì)了無跡卡爾曼濾波器實(shí)現(xiàn)對未知故障參數(shù)的精確估計(jì),之后利用濾波器信息結(jié)合PD控制器實(shí)現(xiàn)對姿態(tài)系統(tǒng)的鎮(zhèn)定控制。文獻(xiàn)[59]設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)非線性故障估計(jì)觀測器,然后利用觀測信息進(jìn)一步結(jié)合反步法和自適應(yīng)技術(shù)設(shè)計(jì)了主動容錯(cuò)控制器,保證姿態(tài)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定。迭代學(xué)習(xí)觀測器在文獻(xiàn)[60]中被用來設(shè)計(jì)故障診斷模塊,實(shí)現(xiàn)對時(shí)變故障的快速估計(jì),然后利用觀測信息設(shè)計(jì)了基于滑?？刂萍夹g(shù)的衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)有限時(shí)間鎮(zhèn)定控制器。文獻(xiàn)[61]設(shè)計(jì)了故障檢測與辨識模塊,基于該模塊引入虛擬控制量設(shè)計(jì)了反步法容錯(cuò)控制器,該方法不但具有良好的容錯(cuò)性而且也彌補(bǔ)了執(zhí)行器飽和及可能存在的故障估計(jì)誤差帶來的影響。自適應(yīng)滑模觀測器在文獻(xiàn)[62]中被用來觀測衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)執(zhí)行器的乘性和加性故障值,并結(jié)合快速終端滑?？刂品椒▽?shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定,其中外界干擾引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行逼近,仿真驗(yàn)證了該方法具有良好的鎮(zhèn)定和跟蹤性能。文獻(xiàn)[63]中提出了一種基于參數(shù)自適應(yīng)觀測器的主動容錯(cuò)控制方案,利用該觀測器可實(shí)現(xiàn)有外界干擾情況下的故障估計(jì),而且具有有限時(shí)間收斂特性,之后利用故障觀測信息和積分滑?？刂萍夹g(shù)設(shè)計(jì)了姿態(tài)跟蹤控制器,保證衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤誤差的漸近收斂。

可以發(fā)現(xiàn),基于故障估計(jì)的主動容錯(cuò)控制技術(shù)在衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)上的研究成果也相對頗豐,對故障參數(shù)值的有效估計(jì)保證了主動容錯(cuò)控制器具有良好的控制性能。

關(guān)于對上述5種容錯(cuò)控制方法性能的比較,見表1。

表1 單體衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)容錯(cuò)控制方法對比

2.3 多衛(wèi)星編隊(duì)容錯(cuò)控制

面對越來越復(fù)雜的空間任務(wù),單體衛(wèi)星航天器系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足需求。衛(wèi)星航天器編隊(duì)系統(tǒng)[64-66]由多個(gè)獨(dú)立的衛(wèi)星組成,各衛(wèi)星通過星載通訊設(shè)備與其他衛(wèi)星進(jìn)行信息交互,能夠突破單體衛(wèi)星系統(tǒng)的局限,完成單體衛(wèi)星無法完成的任務(wù)。然而,衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)中任何一個(gè)部件發(fā)生故障都有可能帶來巨大的損失,甚至造成無法挽回的后果,因此對衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)進(jìn)行容錯(cuò)控制研究具有重要的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。沿著2.2節(jié)闡述的容錯(cuò)思路,當(dāng)編隊(duì)系統(tǒng)中的衛(wèi)星發(fā)生故障時(shí),一個(gè)自然的想法就是調(diào)節(jié)故障衛(wèi)星的控制器,而多衛(wèi)星的存在為容錯(cuò)控制提供了更豐富的手段。針對第1節(jié)提到的3個(gè)科學(xué)問題,下面將從獨(dú)立容錯(cuò)、協(xié)同容錯(cuò)、拓?fù)渲貥?gòu)和組成重構(gòu)4個(gè)角度分別闡述編隊(duì)容錯(cuò)控制的思路和方法。

2.3.1 基于衛(wèi)星個(gè)體控制的獨(dú)立與協(xié)同容錯(cuò)

針對如何及時(shí)抵消故障對衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)影響的這個(gè)問題,本小節(jié)分別從重構(gòu)故障子系統(tǒng)自身控制器和重構(gòu)所有子系統(tǒng)控制器這兩個(gè)角度,介紹了現(xiàn)有文獻(xiàn)里衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的兩種容錯(cuò)控制方案,并對其制造成本和有效載荷進(jìn)行了討論。

1) 獨(dú)立容錯(cuò)。當(dāng)某個(gè)衛(wèi)星發(fā)生故障時(shí),調(diào)節(jié)該故障衛(wèi)星自身的控制器來補(bǔ)償故障對該衛(wèi)星的影響,這種思想稱之為獨(dú)立容錯(cuò),是2.2節(jié)容錯(cuò)思路的直接應(yīng)用。文獻(xiàn)[67]針對執(zhí)行器故障下的串聯(lián)式繩系衛(wèi)星系統(tǒng),只針對故障衛(wèi)星重構(gòu)其控制器,且所有衛(wèi)星采用分散式結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì),即只利用自身狀態(tài)信息和自身故障信息來維持系統(tǒng)穩(wěn)定。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)之間的耦合滿足小增益條件時(shí),故障下的系統(tǒng)穩(wěn)定性就能夠得到保證。采用分散式控制結(jié)構(gòu)使得子系統(tǒng)不需要額外的測量設(shè)備和傳感設(shè)備去獲取其他子系統(tǒng)的信息并,因此降低了衛(wèi)星的制造成本,增加了衛(wèi)星的有效載荷。文獻(xiàn)[32]針對由2個(gè)衛(wèi)星組成的編隊(duì)中存在的交會對接問題,當(dāng)追隨者執(zhí)行器受到外部擾動和發(fā)生部分失效故障時(shí),僅重構(gòu)追隨者自身的控制器來補(bǔ)償故障的影響,完成交會對接任務(wù)。

2) 協(xié)同容錯(cuò)。由于多體衛(wèi)星之前存在耦合,從多體衛(wèi)星全局出發(fā),充分利用健康子系統(tǒng)信息、故障子系統(tǒng)信息和耦合機(jī)制來進(jìn)行協(xié)同容錯(cuò)控制也是一種有效的手段。文獻(xiàn)[68]針對主從結(jié)構(gòu)下的多體衛(wèi)星系統(tǒng)跟蹤控制問題,每個(gè)子系統(tǒng)利用鄰接子系統(tǒng)狀態(tài)信息和故障信息,設(shè)計(jì)魯棒控制器從而來抵消執(zhí)行器故障對整個(gè)編隊(duì)系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[69]分別考慮了有向通訊和無向通訊下的衛(wèi)星編隊(duì)容錯(cuò)控制問題,當(dāng)某個(gè)衛(wèi)星發(fā)生執(zhí)行器故障時(shí),同時(shí)重構(gòu)健康衛(wèi)星和故障衛(wèi)星的控制器,采用自適應(yīng)終端滑模控制方案通過協(xié)同作用來補(bǔ)償執(zhí)行器故障和外界擾動的影響,實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星編隊(duì)的有限時(shí)間姿態(tài)一致。文獻(xiàn)[70]針對多柔性航天器系統(tǒng),也采用類似的思想,各子系統(tǒng)用分布式的控制器結(jié)構(gòu)通過協(xié)同控制來抑制系統(tǒng)參數(shù)不確定性和執(zhí)行器故障對系統(tǒng)跟蹤性能的負(fù)面影響。在協(xié)同容錯(cuò)方案中,采用分布式結(jié)構(gòu)的容錯(cuò)控制器要求子系統(tǒng)能夠獲取并利用其鄰接子系統(tǒng)狀態(tài)信息,其測量儀器和傳感器數(shù)目要多于分散式控制結(jié)構(gòu)下的儀器數(shù)目,因此制造成本更高,有效載荷更少；而采用集中式結(jié)構(gòu)的協(xié)同容錯(cuò)控制方案,其實(shí)現(xiàn)成本最高,不適用于大規(guī)模編隊(duì)系統(tǒng)。

2.3.2 面向網(wǎng)絡(luò)層面的拓?fù)浜徒M成重構(gòu)

獨(dú)立與協(xié)同容錯(cuò)方法著眼于調(diào)節(jié)正常和故障航天器的控制器。除此之外,若部分子系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障甚至完全損壞時(shí),從編隊(duì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層面考慮基于拓?fù)浜徒M成重構(gòu)的容錯(cuò)機(jī)制,也是一種行之有效的思路。

1) 拓?fù)渲貥?gòu)。一旦多體衛(wèi)星之間出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊故障,上述兩種容錯(cuò)控制思想就存在局限性。網(wǎng)絡(luò)通訊故障可能導(dǎo)致子系統(tǒng)之間的通訊發(fā)生中斷,因此原有的通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就被破壞,新的通訊需要生成,衛(wèi)星之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要進(jìn)行重構(gòu),該容錯(cuò)控制思想即為拓?fù)渲貥?gòu)。文獻(xiàn)[71]針對深空多體衛(wèi)星編隊(duì)控制問題,一旦某兩個(gè)衛(wèi)星之間的視距測量系統(tǒng)發(fā)生故障,它們之間原有的通訊失效,則整個(gè)編隊(duì)系統(tǒng)就改變原有的通訊拓?fù)?發(fā)生通訊故障的系統(tǒng)通過中間的子系統(tǒng)來間接獲取相對位置信息,選擇最優(yōu)的間接通訊方式重新實(shí)現(xiàn)編隊(duì)完成空間任務(wù)。文獻(xiàn)[72]針對衛(wèi)星編隊(duì)的一致跟蹤問題,考慮某個(gè)衛(wèi)星執(zhí)行器的失效故障,通過改變虛擬領(lǐng)航者和跟隨者之間的拓?fù)渫ㄓ嵎绞?切斷和新增部分子系統(tǒng)之間的通訊,保證了故障和受擾動下的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2) 組成重構(gòu)。上述3種容錯(cuò)控制方案都是基于多衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整的情況下進(jìn)行容錯(cuò)控制,但是一旦某個(gè)衛(wèi)星發(fā)生嚴(yán)重故障從而無法繼續(xù)參與編隊(duì)完成空間任務(wù)時(shí),則必須對多體衛(wèi)星系統(tǒng)的組成進(jìn)行重構(gòu)。文獻(xiàn)[73]針對一類多體衛(wèi)星編隊(duì)容錯(cuò)控制問題,采用“即插即用”的思想,使得故障衛(wèi)星脫離編隊(duì)或與新的正常衛(wèi)星對接,來消除某個(gè)衛(wèi)星故障對整個(gè)多體衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的影響。該容錯(cuò)控制方案不需要重構(gòu)任何單體衛(wèi)星的控制器就能達(dá)到容錯(cuò)目的。編隊(duì)系統(tǒng)組成的可變性為多體衛(wèi)星的容錯(cuò)控制提供了更多的選擇。

3 展 望

衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的容錯(cuò)控制已經(jīng)取得了較為豐碩的研究成果,但要使衛(wèi)星在太空工作過程中保持高質(zhì)量的運(yùn)行狀態(tài),仍需在一些不足之處做進(jìn)一步研究。針對未來可能出現(xiàn)的新問題和新方法,本文進(jìn)行了相應(yīng)的展望：

1) 故障系統(tǒng)的重構(gòu)性研究

目前,衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的可重構(gòu)性研究主要集中于定性分析,量化結(jié)果較少。另一方面,由于衛(wèi)星任務(wù)復(fù)雜,限制因素多,目前的可重構(gòu)性研究結(jié)果通用性差,無法廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星控制系統(tǒng)。同時(shí),針對故障系統(tǒng)的可重構(gòu)性研究,考慮的故障類型還不夠豐富,仍需進(jìn)一步完善。

2) 衛(wèi)星被動容錯(cuò)控制研究

目前存在的剛性/撓性衛(wèi)星被動容錯(cuò)控制器多假設(shè)故障及干擾存在上界,然后設(shè)計(jì)自適應(yīng)估計(jì)率實(shí)現(xiàn)上界估計(jì),基于估計(jì)的上界值進(jìn)一步設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制器。因此,這不可避免地造成控制器的保守性,進(jìn)而造成在軌衛(wèi)星的能量損失從而導(dǎo)致衛(wèi)星在軌壽命的減少。目前,還沒有統(tǒng)一的針對保守性問題的系統(tǒng)性研究框架,因此還需要對此做進(jìn)一步研究。

3) 撓性衛(wèi)星容錯(cuò)控制研究

現(xiàn)有的容錯(cuò)控制器多為基于模型設(shè)計(jì),所以對撓性衛(wèi)星的精確建模就顯得尤為重要,但目前建模相關(guān)的研究還不夠深入,仍有待進(jìn)一步研究,以實(shí)現(xiàn)精確建模。

4) 衛(wèi)星編隊(duì)容錯(cuò)控制研究

衛(wèi)星編隊(duì)容錯(cuò)控制問題上主要面臨兩方面的挑戰(zhàn)：目前研究的編隊(duì)隊(duì)形還不夠豐富和編隊(duì)容錯(cuò)航行過程中的避障問題還沒有展開系統(tǒng)性的研究。為解決編隊(duì)隊(duì)形的問題,未來可以考慮更一般的衛(wèi)星模型以及更多的編隊(duì)隊(duì)形以滿足實(shí)際的空間任務(wù)需求。其次,未來可以從切換系統(tǒng)的角度來研究衛(wèi)星編隊(duì)飛行中的容錯(cuò)及避障控制問題,整個(gè)避障過程可以看作是原切換系統(tǒng)的一種新模式,通過對切換律的修改來進(jìn)行容錯(cuò)控制,該思想具有一定的理論意義和潛在的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。