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(dòng)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(guó)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(guó)防軍事建設(shè)層面上都占有舉足輕重的地位。隨著中國(guó)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(duì)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(cè)任務(wù)中對(duì)地面測(cè)控的依賴(lài),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(cè)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(duì)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(guó)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(lái)自于控制系統(tǒng)。美國(guó)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(guó)安全部不得加大投資,但仍無(wú)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(dòng)或被動(dòng)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(guó)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(duì)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(hào)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(mǎn)足了衛(wèi)星的性能指向要求[9]。在遠(yuǎn)紫外光譜探測(cè)器陀螺儀性能衰退,且2個(gè)正交飛輪故障的情況下,通過(guò)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(guò)程中,面對(duì)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(xiàn)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(jí)和部件級(jí)故障下的姿態(tài)控制方案,通過(guò)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(dòng)作,控制精度也滿(mǎn)足指標(biāo)要求。文獻(xiàn)[15]結(jié)合冗余、自診斷和看門(mén)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(guò)綜合測(cè)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(duì)生存條件苛刻的外太空環(huán)境,針對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的故障問(wèn)題,開(kāi)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(duì)未來(lái)研究的展望。

1 面臨的科學(xué)問(wèn)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(duì)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(chēng)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(duì)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(wèn)題：

1) 如何制定可重構(gòu)性的評(píng)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(lèi)和程度多樣,而不同的航天任務(wù)也對(duì)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(píng)價(jià)帶來(lái)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(xiàn)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(wèn)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(duì)故障的容忍性能,對(duì)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(duì)于在軌衛(wèi)星來(lái)說(shuō),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(lái)一系列需要解決的科學(xué)問(wèn)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(shí)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(shí)。因此,處理先驗(yàn)知識(shí)匱乏的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的魯棒性和容錯(cuò)性問(wèn)題是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

2) 如何處理衛(wèi)星撓性特性。衛(wèi)星在軌期間,撓性太陽(yáng)帆板的振動(dòng)對(duì)其姿態(tài)影響很大,存在剛撓耦合現(xiàn)象,重要的是振動(dòng)模態(tài)通常不可測(cè)量?，F(xiàn)有的大多技術(shù)均為針對(duì)剛性衛(wèi)星,忽略了撓性特性帶來(lái)影響,因此在綜合考慮撓性模態(tài)對(duì)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(wèn)題。

3) 如何備具快速響應(yīng)性能。在軌衛(wèi)星為滿(mǎn)足實(shí)時(shí)任務(wù)的需求而需要提高系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)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(dòng)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(wèn)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(duì)收斂過(guò)程的暫態(tài)性能少有關(guān)注,這有可能因姿態(tài)角過(guò)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(wèn)題的同時(shí),如何規(guī)定動(dòng)態(tài)收斂過(guò)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(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際任務(wù)需求,因此衛(wèi)星編隊(duì)控制問(wèn)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(lái)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(lái)了極大的挑戰(zhàn),具體有如下科學(xué)問(wèn)題：

1) 編隊(duì)中的衛(wèi)星需要根據(jù)不同任務(wù)需求對(duì)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(wú)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(huì)去掉部分測(cè)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(duì)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(duì)具體的研究成果展開(kāi)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(duì)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)可重構(gòu)性研究面臨的制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和處理模型不確定性的科學(xué)問(wèn)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(duì)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(píng)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(wú)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(jiàn)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(lèi)重構(gòu)性研究的對(duì)象是故障系統(tǒng)的剩余能控性。由于線(xiàn)性模型簡(jiǎn)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(xiàn)性方法,尤其是基于線(xiàn)性系統(tǒng)能控性的格蘭姆矩陣的評(píng)價(jià)方法[18-19]。如文獻(xiàn)[20]針對(duì)以線(xiàn)性系統(tǒng)、線(xiàn)性切換系統(tǒng)、線(xiàn)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(duì)以非線(xiàn)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(jiàn)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(píng)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(jí)完成既定任務(wù),此時(shí)不需要對(duì)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(lái)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(duì)接問(wèn)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(duì)基于這一重構(gòu)目標(biāo)的可重構(gòu)性進(jìn)行了研究。

可見(jiàn),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(duì)上述兩方面不足,部分學(xué)者從系統(tǒng)功能要求入手,對(duì)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(lèi),通過(guò)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(lèi)方法不需要建立精確的動(dòng)力學(xué)模型,許多研究工作將其用于衛(wèi)星這類(lèi)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(duì)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(duì)每種執(zhí)行器、傳感器配置的故障進(jìn)行了評(píng)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(duì)以線(xiàn)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(píng)價(jià)對(duì)各種故障的可重構(gòu)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

雖然這類(lèi)對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的依賴(lài)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(duì)專(zhuān)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(zhǎng)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(huì)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(duì)1.2節(jié)中提到的4個(gè)科學(xué)問(wèn)題,本文有針對(duì)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(guān)測(cè)器和故障估計(jì)觀(guān)測(cè)器5個(gè)主要技術(shù)范疇展開(kāi)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(xiàn)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)參數(shù)來(lái)適應(yīng)環(huán)境的變化,比起魯棒控制、滑?？刂频?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(méi)有先驗(yàn)知識(shí)的情況下,利用自適應(yīng)技術(shù)對(duì)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(jiàn),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(duì)空間干擾和執(zhí)行器故障等問(wèn)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(hào)進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動(dòng)。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(wèn)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(guān)測(cè)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(duì)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(wú)故障及不確定性先驗(yàn)知識(shí)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(méi)有先驗(yàn)知識(shí)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(duì)接問(wèn)題,文獻(xiàn)[32]設(shè)計(jì)了自適應(yīng)非線(xiàn)性狀態(tài)反饋控制器,確保在無(wú)需干擾和故障等不確定先驗(yàn)知識(shí)的情況下閉環(huán)系統(tǒng)的有界穩(wěn)定性,保證了對(duì)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(duì)故障有效的實(shí)時(shí)估計(jì)。文獻(xiàn)[33]針對(duì)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(duì)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(duì)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(xiàn)撓性天線(xiàn)和較長(zhǎng)的太陽(yáng)帆板時(shí),其動(dòng)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(yáng)帆板的振動(dòng)對(duì)其姿態(tài)影響很大,且振動(dòng)模態(tài)因不可測(cè)量又給衛(wèi)星系統(tǒng)帶來(lái)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(duì)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(mǎn)足任務(wù)的需求。

對(duì)反作用飛輪驅(qū)動(dòng)下?lián)闲孕l(wèi)星的控制增益矩陣和振動(dòng)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(duì)執(zhí)行器失控故障有效補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)還具有對(duì)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)以及外部干擾良好的魯棒性能。例如,文獻(xiàn)[34]對(duì)包括系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、控制增益矩陣以及太陽(yáng)帆板振動(dòng)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(duì)不確定參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)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(yáng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)、燃料消耗等使得衛(wèi)星系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)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(wèn)題,可利用自適應(yīng)思想,在線(xiàn)估計(jì)未知對(duì)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(lài)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(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行化簡(jiǎn),忽略掉撓性驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)之間的高階耦合項(xiàng),設(shè)計(jì)自適應(yīng)觀(guān)測(cè)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(wú)需在撓性附件上附著執(zhí)行機(jī)構(gòu),僅通過(guò)衛(wèi)星系統(tǒng)自身的助力器,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)撓性附件引起的彈性震動(dòng)的有效抑制。與之相對(duì)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(duì)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(duì)含撓性不確定、故障等信息的估計(jì),均為被動(dòng)容錯(cuò),這就可能出現(xiàn)因估計(jì)過(guò)大即保守性問(wèn)題,帶來(lái)的能量損耗現(xiàn)象,目前對(duì)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

滑模控制技術(shù)對(duì)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(wèn)題,有效地處理了衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的強(qiáng)耦合、非線(xiàn)性特性,并保持對(duì)干擾、模型不確定性的不敏感,尤其是對(duì)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(dòng)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(dòng)容錯(cuò),文獻(xiàn)[38]結(jié)合故障診斷模塊和非線(xiàn)性積分滑模面,設(shè)計(jì)了主動(dòng)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?？刂齐m然保證了系統(tǒng)的魯棒性和容錯(cuò)性,但無(wú)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(kāi)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(wú)法估計(jì),這可能無(wú)法滿(mǎn)足于衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定與機(jī)動(dòng)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(dòng)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(mǎn)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(guān)測(cè)器,對(duì)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(guān)測(cè)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)滑模控制器,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(duì)跟蹤指令的有限時(shí)間跟蹤。針對(duì)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(xiàn)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(lái)逼近衛(wèi)星系統(tǒng)的含故障和干擾等的復(fù)雜非線(xiàn)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(dòng)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(xiàn)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(wèn)題,以期避免收斂時(shí)間對(duì)系統(tǒng)初始狀態(tài)的依賴(lài)。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(duì)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(guān)測(cè)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(wèn)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(duì)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(duì)接任務(wù)過(guò)程中的固定時(shí)間容錯(cuò)控制問(wèn)題,在有、無(wú)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(duì)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(xiàn)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(cè)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(wú)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(lái),針對(duì)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(wèn)題,國(guó)內(nèi)外有學(xué)者應(yīng)用滑?？刂评碚摻鉀Q跟蹤控制問(wèn)題,設(shè)計(jì)撓性模態(tài)變量、故障信息和不確定擾動(dòng)的估計(jì)或逼近模塊,結(jié)合變結(jié)構(gòu)控制對(duì)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?？刂圃趽闲孕l(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(duì)存在外部干擾、不確定甚至?xí)r變轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)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(wèn)題,在無(wú)需故障診斷模塊的前提下,結(jié)合自適應(yīng)估計(jì)和滑模控制理論實(shí)現(xiàn)誤差的一致有界穩(wěn)定。除對(duì)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(duì)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(duì)該復(fù)雜不確定項(xiàng)進(jìn)行在線(xiàn)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(duì)不確定的實(shí)時(shí)估計(jì)均消除了對(duì)上界已知的依賴(lài),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)滑模控制問(wèn)題上,收斂時(shí)間的問(wèn)題還未解決,已有控制器均是實(shí)現(xiàn)漸近收斂,因此該問(wèn)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(guò)對(duì)誤差信號(hào)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(duì)未知干擾、執(zhí)行器故障及轉(zhuǎn)動(dòng)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(jiàn),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(guò)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(dòng)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(lái)的負(fù)面影響,同樣利用自適應(yīng)反步法設(shè)計(jì)了被動(dòng)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(duì)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(duì)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(guān)測(cè)器和預(yù)設(shè)性能控制方法進(jìn)行了結(jié)合,將觀(guān)測(cè)器的實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)值引入基于動(dòng)態(tài)面設(shè)計(jì)的控制器中,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wèn)題通過(guò)特定的誤差轉(zhuǎn)換變?yōu)闊o(wú)約束的鎮(zhèn)定問(wèn)題,可使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程滿(mǎn)足規(guī)定約束,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。但對(duì)基于預(yù)設(shè)性能的衛(wèi)星容錯(cuò)控制問(wèn)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(guān)測(cè)器的魯棒容錯(cuò)控制

通過(guò)設(shè)計(jì)干擾觀(guān)測(cè)器實(shí)現(xiàn)干擾估計(jì)并反饋給重構(gòu)控制器達(dá)到對(duì)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(guān)測(cè)器的設(shè)計(jì)過(guò)程相較自適應(yīng)估計(jì)算法簡(jiǎn)單、計(jì)算量和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guān)測(cè)器的容錯(cuò)控制方法在衛(wèi)星容錯(cuò)問(wèn)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(guān)測(cè)器,之后利用干擾觀(guān)測(cè)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(dòng)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(xiàn)性干擾觀(guān)測(cè)器進(jìn)一步改善了重構(gòu)控制器對(duì)干擾的魯棒性,結(jié)合自適應(yīng)和非奇異快速終端滑?？刂萍夹g(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(xiàn)性擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)干擾觀(guān)測(cè)器和預(yù)設(shè)性能的方法設(shè)計(jì)被動(dòng)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(guān)測(cè)誤差的收斂速度,文獻(xiàn)[46]設(shè)計(jì)了固定時(shí)間干擾觀(guān)測(cè)器確保觀(guān)測(cè)誤差的固定時(shí)間收斂。為補(bǔ)償非匹配干擾帶來(lái)的不良影響,文獻(xiàn)[58] 設(shè)計(jì)了一種新型的非線(xiàn)性觀(guān)測(cè)器,結(jié)合所設(shè)計(jì)的滑模故障觀(guān)測(cè)器和滑模容錯(cuò)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)干擾問(wèn)題滑?？刂剖抢酶呖刂圃鲆娅@得魯棒性,這必然帶來(lái)無(wú)法完全消除的抖振問(wèn)題,而通過(guò)利用干擾觀(guān)測(cè)器給出系統(tǒng)未知干擾、故障、未建模動(dòng)態(tài)的不確定觀(guān)測(cè)器,可抑制滑模抖振問(wèn)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(duì)在軌資源有限的衛(wèi)星系統(tǒng)來(lái)說(shuō)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(guān)測(cè)器來(lái)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(guān)測(cè)器的應(yīng)用可顯著提升衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)干擾的觀(guān)測(cè)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(guān)測(cè)器的主動(dòng)容錯(cuò)控制

基于故障估計(jì)觀(guān)測(cè)器的主動(dòng)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(shí)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(lài)于故障診斷模塊的精確故障觀(guān)測(cè)值。利用觀(guān)測(cè)值重構(gòu)控制器可更好地解決被動(dòng)容錯(cuò)控制中的保守性問(wèn)題,此外,主動(dòng)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(huì)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(duì)此展開(kāi)介紹。

目前,主動(dòng)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(wú)跡卡爾曼濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(xiàn)性故障估計(jì)觀(guān)測(cè)器,然后利用觀(guān)測(cè)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(dòng)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(guān)測(cè)器在文獻(xiàn)[60]中被用來(lái)設(shè)計(jì)故障診斷模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)變故障的快速估計(jì),然后利用觀(guān)測(cè)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(cè)與辨識(shí)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(lái)的影響。自適應(yīng)滑模觀(guān)測(cè)器在文獻(xiàn)[62]中被用來(lái)觀(guān)測(cè)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(guān)測(cè)器的主動(dòng)容錯(cuò)控制方案,利用該觀(guān)測(cè)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(guān)測(cè)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(dòng)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(duì)頗豐,對(duì)故障參數(shù)值的有效估計(jì)保證了主動(dòng)容錯(cuò)控制器具有良好的控制性能。

關(guān)于對(duì)上述5種容錯(cuò)控制方法性能的比較,見(jiàn)表1。

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

2.3 多衛(wèi)星編隊(duì)容錯(cuò)控制

面對(duì)越來(lái)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(wú)法滿(mǎn)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(guò)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(wú)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(lái)巨大的損失,甚至造成無(wú)法挽回的后果,因此對(duì)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(duì)第1節(jié)提到的3個(gè)科學(xué)問(wèn)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(duì)如何及時(shí)抵消故障對(duì)衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)影響的這個(gè)問(wèn)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(duì)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(lái)補(bǔ)償故障對(duì)該衛(wèi)星的影響,這種思想稱(chēng)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(duì)執(zhí)行器故障下的串聯(lián)式繩系衛(wèi)星系統(tǒng),只針對(duì)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(lái)維持系統(tǒng)穩(wěn)定。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)之間的耦合滿(mǎn)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(cè)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(duì)由2個(gè)衛(wèi)星組成的編隊(duì)中存在的交會(huì)對(duì)接問(wèn)題,當(dāng)追隨者執(zhí)行器受到外部擾動(dòng)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(lái)補(bǔ)償故障的影響,完成交會(huì)對(duì)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(lái)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(duì)主從結(jié)構(gòu)下的多體衛(wèi)星系統(tǒng)跟蹤控制問(wèn)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(lái)抵消執(zhí)行器故障對(duì)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(wú)向通訊下的衛(wèi)星編隊(duì)容錯(cuò)控制問(wèn)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?？刂品桨竿ㄟ^(guò)協(xié)同作用來(lái)補(bǔ)償執(zhí)行器故障和外界擾動(dòng)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(duì)多柔性航天器系統(tǒng),也采用類(lèi)似的思想,各子系統(tǒng)用分布式的控制器結(jié)構(gòu)通過(guò)協(xié)同控制來(lái)抑制系統(tǒng)參數(shù)不確定性和執(zhí)行器故障對(duì)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(cè)量?jī)x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(duì)深空多體衛(wèi)星編隊(duì)控制問(wèn)題,一旦某兩個(gè)衛(wèi)星之間的視距測(cè)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?cè)械耐ㄓ嵧負(fù)?發(fā)生通訊故障的系統(tǒng)通過(guò)中間的子系統(tǒng)來(lái)間接獲取相對(duì)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(duì)衛(wèi)星編隊(duì)的一致跟蹤問(wèn)題,考慮某個(gè)衛(wèi)星執(zhí)行器的失效故障,通過(guò)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(dòng)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(wú)法繼續(xù)參與編隊(duì)完成空間任務(wù)時(shí),則必須對(duì)多體衛(wèi)星系統(tǒng)的組成進(jìn)行重構(gòu)。文獻(xiàn)[73]針對(duì)一類(lèi)多體衛(wèi)星編隊(duì)容錯(cuò)控制問(wèn)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(duì)接,來(lái)消除某個(gè)衛(wèi)星故障對(duì)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(guò)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(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的新問(wèn)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(wú)法廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星控制系統(tǒng)。同時(shí),針對(duì)故障系統(tǒng)的可重構(gòu)性研究,考慮的故障類(lèi)型還不夠豐富,仍需進(jìn)一步完善。

2) 衛(wèi)星被動(dòng)容錯(cuò)控制研究

目前存在的剛性/撓性衛(wèi)星被動(dòng)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(méi)有統(tǒng)一的針對(duì)保守性問(wèn)題的系統(tǒng)性研究框架,因此還需要對(duì)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(duì)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(wèn)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(guò)程中的避障問(wèn)題還沒(méi)有展開(kāi)系統(tǒng)性的研究。為解決編隊(duì)隊(duì)形的問(wèn)題,未來(lái)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(mǎn)足實(shí)際的空間任務(wù)需求。其次,未來(lái)可以從切換系統(tǒng)的角度來(lái)研究衛(wèi)星編隊(duì)飛行中的容錯(cuò)及避障控制問(wèn)題,整個(gè)避障過(guò)程可以看作是原切換系統(tǒng)的一種新模式,通過(guò)對(duì)切換律的修改來(lái)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。