一种主动指向超静平台自主故障诊断与容错控制方法及系统技术方案

一种主动指向超静平台自主故障诊断与容错控制方法及系统，所设计的故障诊断与容错控制方法适用于主动指向超静平台这类高度耦合的复杂多输入多输出系统。首先，建立了主动指向超静平台动力学模型，并设计了载荷指向控制解耦模型和解耦矩阵。通过解耦矩阵实现主动指向超静平台由复杂多输入多输出系统转换为多个相对简单的单输入单输出系统，简化载荷控制器的设计。然后，针对单个作动器故障的载荷容错控制问题，通过建立新解耦矩阵实现载荷指向控制重构，并给出了基于解耦矩阵条件数最小的冗余自由度选择方法。数学仿真结果表明：基于冗余自由度最优选择的主动指向容错控制方法能够最大限度地减少作动器故障对主动指向超静平台载荷指向控制效果的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种主动指向超静平台自主故障诊断与容错控制方法及系统
本专利技术属于航天器姿态控制领域，涉及一种主动指向超静平台自主故障诊断与容错控制方法及系统，实现作动器故障对主动指向超静平台的载荷指向控制精度影响最小化。
技术介绍
未来天基天文观测、极高分辨率对地观测等航天器任务提出了光学载荷毫角秒级的指向控制以及极高稳定度控制的需求。基于我国现有航天器平台及相关控制技术难以实现这类光学载荷超高精度指向控制需求。而天基主动指向超静平台具备自由度高、指向精度高、结构刚度大等优势，将成为未来航天器光学载荷超高精度控制的必备技术。主动指向超静平台属于典型的多输入多输出冗余系统。当主动指向超静平台单个作动器故障时，由于通道之间耦合特性，使得故障作动器影响多个通道的控制效果。因此，有必要研究主动指向超静平台这类多输入多输出耦合冗余系统的故障诊断与容错控制方法，实现故障作动器对主动指向超静平台的载荷指向精度影响最小化。现有的故障诊断与容错控制方法存在以下不足：1、无法实现耦合系统准确的故障诊断目前的故障诊断方法针对的物理相对多为线性系统，诊断方法中不考虑通道之间的耦合因素。当系统存在耦合时，单一通道发生故障时容易引起多个输出通道测量值变化。因此难以通过系统测量值准确定位故障。文中针对存在耦合的一般动力学模型设计解耦模型和标准解耦矩阵，使复杂多输入多输出系统变为多个相对简单的单输入单输出系统，实现故障的准确诊断。2、无法实现耦合系统的故障冗余重构目前诊断与重构方法多针对线性系统，重构方法中不考虑通道之间的耦合因素。因此难以通过执行机构的冗余配置实现系统重构，从而恢复系统的部分或全部功能。文中针对耦合冗余系统提出指向控制重构策略，在建立新的解耦矩阵的基础上。通过解耦矩阵条件数最小的冗余自由度进行重构策略选择，实现最大限度地减少作动器故障对超静平台主动指向控制效果的影响。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种主动指向超静平台自主故障诊断与容错控制方法，能够最大限度地减少作动器故障对超静平台主动指向控制效果的影响。本专利技术的技术解决方案是：一种主动指向超静平台自主故障诊断与容错控制方法，步骤如下：(1)在主动指向超静平台作动器空间内建立主动指向超静平台动力学模型。(2)忽略主动指向超静平台动力学模型中速度的关联项将步骤(1)建立的主动指向超静平台动力学模型转换为新的线性模型。(3)建立主动指向超静平台中作动器平动位移δl和载荷位姿δχ的运动学约束关系。(4)根据步骤(3)主动指向超静平台中作动器平动位移δl和载荷位姿δχ的关系，确定主动指向超静平台作动器操纵律分配矩阵G。(5)判断主动指向超静平台中作动器是否故障，若有故障则由故障诊断方法找出故障的作动器编号；定义故障作动器向量d＝[d1,d2,…,ds]T和冗余自由度向量u＝[u1,u2,…,us]T，s(s＝1,2,…,6)为故障作动器的数目。建立故障作动器向量d转换为指向自由度ρ约束关系。确定步骤(3)中的主动指向超静平台中作动器平动位移δl与指向自由度ρ和冗余自由度u的约束关系，并进行步骤(6)；若无故障，表示主动指向超静平台正常工作，进入步骤(8)。(6)根据步骤(4)主动指向超静平台作动器操纵律分配矩阵G和步骤(5)的主动指向超静平台中作动器平动位移δl与指向自由度ρ和冗余自由度u的约束关系、故障作动器的数量d与指向自由度ρ的约束关系，建立故障时主动指向超静平台新的作动器操纵律分配矩阵Gr。(7)通过故障时主动指向超静平台新的作动器操纵律分配矩阵Gr，采用PID控制去补偿故障作动器，实现主动指向超静平台的容错控制。(8)通过步骤(4)主动指向超静平台作动器操纵律分配矩阵G，采用PID控制，实现主动指向超静平台的控制。步骤(1)主动指向超静平台由六个作动器构成。每个作动器包含并行安装的被动环节、主动环节以及测量敏感器三部分。被动环节为弹簧-阻尼，输出被动力；主动环节为音圈电机，输出主动力；测量敏感器为涡流敏感器，用于测量音圈电机的平动位移。主动指向超静平台上平面与载荷相连，下平面与航天器平台相连。步骤(1)建立的主动指向超静平台动力学模型，具体如下：式中：Mx为载荷质量/惯量阵；为从载荷坐标系{P}到基础平台坐标系{B}的转换矩阵，为从载荷坐标系{P}到惯性坐标系{U}的转换矩阵，为从基础平台坐标系{B}到惯性坐标系{U}的转换矩阵；Ms为作动器质量组成的6×6维对角阵；l为6×1维作动器长度向量；C和K分别为由六个作动器组成的6×6维刚度和阻尼对角阵。fm为由六个作动器作动器的输出力组成的6×1维向量。J为关联载荷工作空间运动和作动器工作空间作动器伸缩运动的6×6维变换矩阵；Jc和JB为与基础端运动相关的6×6维变换矩阵；为沿着作动器方向基础端的6×1维加速度向量；Fd为作用于载荷的6×1维外力向量；Fc包含所有的科氏项；G包含所有的重力项。步骤(2)忽略主动指向超静平台动力学模型中速度的关联项，是指关联载荷工作空间和作动器工作空间作动器变换矩阵J的变化率，即步骤(2)将步骤(1)建立的主动指向超静平台动力学模型转换为新的线性模型，具体如下：新的输出方程为：y＝J-1l式中，输入变量u定义为u＝J-1fm步骤(3)定义主动指向超静平台中作动器平动位移δl和载荷位姿δχ的关系；具体如下：δl＝Jδχ式中，l＝[l1,l2,...,l6]T为主动指向超静平台中六作动器平动位移；关联矩阵J定义为，式中，为载荷坐标系{P}中pi向量的反对称矩阵；分别为沿六个作动器的单位向量；步骤(4)根据步骤(3)主动指向超静平台中作动器平动位移δl和载荷位姿δχ的关系，建立主动指向超静平台作动器操纵律分配矩阵G，具体如下：式中，J(i,j)矩阵的J的第(i，j)个元素，令a＝[1,2,...,6]T，则有D＝J(a,ρnum)。ρ＝[ρ1,ρ2,...ρr]T为包含指向自由度的子向量，ρnum＝[ρnum1,ρnum2,...ρnumr]T为对应于ρ的相应单元编号向量。，当主动指向超静平台仅进行载荷滚动-俯仰(θx和θy)两自由度控制时，作动器操纵律分配矩阵G为6×2维常数矩阵。步骤(5)判断主动指向超静平台中作动器是否故障，具体如下：主动指向超静平台的载荷三轴姿态为θp，则载荷六自由度位姿δχ＝[03×1θp]T，则作动器的平动位移理论值δl＝[δl1…δl2]T可计算为：δl＝Jδχ定义各作动器刚度系数为Km＝[km1,…,km6]T，作动器执行机构电流-力系数为Kf＝[kf1,…,kf6]T，则作动器执行机构理论输出电流I＝[i1,…,i6]T可计算为ii＝δlikm1/kfi(i＝1,2,…,6)主动指向超静平台各作动器的输出电流测量值为Im＝[im1,…,im6]T。定义作动器涡流故障失效标志为Ft＝[Ft1,…,Ft6]T。Fti＝|imi/ii|当Ftmin<Fti<Ftmax，则定位为第i个作动器执行机构故障。步骤(5)定义故障作动器向量d＝[d1,d2,…,ds]T和冗余自由度向量u＝[u1,u2,…,us]T，s(s＝1,2,…,6)为故障作动器的数目。故障作动器向量d转换为指向自由度ρ约束关系，具体如下：当冗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种主动指向超静平台自主故障诊断与容错控制方法，其特征在于步骤如下：(1)在主动指向超静平台作动器空间内建立主动指向超静平台动力学模型；(2)忽略主动指向超静平台动力学模型中速度的关联项，将步骤(1)建立的主动指向超静平台动力学模型转换为新的线性模型；(3)建立主动指向超静平台中作动器平动位移和载荷位姿的运动学约束关系；(4)根据步骤(3)主动指向超静平台中作动器平动位移和载荷位姿的关系，确定主动指向超静平台作动器操纵律分配矩阵；(5)判断主动指向超静平台中作动器是否故障，若有故障找出故障的作动器编号；定义故障作动器向量和冗余自由度向量，建立故障作动器向量转换为指向自由度约束关系；确定步骤(3)中的主动指向超静平台中作动器平动位移与指向自由度和冗余自由度的约束关系，并进行步骤(6)；若无故障，表示主动指向超静平台正常工作，进入步骤(8)；(6)根据步骤(4)主动指向超静平台作动器操纵律分配矩阵和步骤(5)的主动指向超静平台中作动器平动位移δl与指向自由度和冗余自由度的约束关系、故障作动器的数量与指向自由度的约束关系，建立故障时主动指向超静平台新的作动器操纵律分配矩阵；(7)通过故障时主动指向超静平台新的作动器操纵律分配矩阵，采用PID控制去补偿故障作动器，实现主动指向超静平台的容错控制；(8)通过步骤(4)主动指向超静平台作动器操纵律分配矩阵，采用PID控制，实现主动指向超静平台的控制。...

【技术特征摘要】
1.一种主动指向超静平台自主故障诊断与容错控制方法，其特征在于步骤如下：(1)在主动指向超静平台作动器空间内建立主动指向超静平台动力学模型；(2)忽略主动指向超静平台动力学模型中速度的关联项，将步骤(1)建立的主动指向超静平台动力学模型转换为新的线性模型；(3)建立主动指向超静平台中作动器平动位移和载荷位姿的运动学约束关系；(4)根据步骤(3)主动指向超静平台中作动器平动位移和载荷位姿的关系，确定主动指向超静平台作动器操纵律分配矩阵；(5)判断主动指向超静平台中作动器是否故障，若有故障找出故障的作动器编号；定义故障作动器向量和冗余自由度向量，建立故障作动器向量转换为指向自由度约束关系；确定步骤(3)中的主动指向超静平台中作动器平动位移与指向自由度和冗余自由度的约束关系，并进行步骤(6)；若无故障，表示主动指向超静平台正常工作，进入步骤(8)；(6)根据步骤(4)主动指向超静平台作动器操纵律分配矩阵和步骤(5)的主动指向超静平台中作动器平动位移δl与指向自由度和冗余自由度的约束关系、故障作动器的数量与指向自由度的约束关系，建立故障时主动指向超静平台新的作动器操纵律分配矩阵；(7)通过故障时主动指向超静平台新的作动器操纵律分配矩阵，采用PID控制去补偿故障作动器，实现主动指向超静平台的容错控制；(8)通过步骤(4)主动指向超静平台作动器操纵律分配矩阵，采用PID控制，实现主动指向超静平台的控制。2.根据权利要求1所述的一种主动指向超静平台自主故障诊断与容错控制方法，其特征在于：步骤(1)主动指向超静平台由六个作动器构成，每个作动器包含并行安装的被动环节、主动环节以及测量敏感器三部分；被动环节为弹簧-阻尼，输出被动力；主动环节为音圈电机，输出主动力；测量敏感器为涡流敏感器，用于测量音圈电机的平动位移；主动指向超静平台上平面与载荷相连，下平面与航天器平台相连。3.根据权利要求1所述的一种主动指向超静平台自主故障诊断与容错控制方法，其特征在于：步骤(1)建立的主动指向超静平台动力学模型，具体如下：式中：Mx为载荷质量/惯量阵；为从载荷坐标系{P}到基础平台坐标系{B}的转换矩阵，为从载荷坐标系{P}到惯性坐标系{U}的转换矩阵，为从基础平台坐标系{B}到惯性坐标系{U}的转换矩阵；Ms为作动器质量组成的6×6维对角阵；l为6×1维作动器长度向量；C和K分别为由六个作动器组成的6×6维刚度和阻尼对角阵；fm为由六个作动器作动器的输出力组成的6×1维向量；J为关联载荷工作空间运动和作动器工作空间作动器伸缩运动的6×6维变换矩阵；Jc和JB为与基础端运动相关的6×6维变换矩阵；为沿着作动器方向基础端的6×1维加速度向量；Fd为作用于载荷的6×1维外力向量；Fc包含所有的科氏项；G包含所有的重力项。4.根据权利要求1所述的一种主动指向超静平台自主故障诊断与容错控制方法，其特征在于：步骤(2)忽略主动指向超静平台动力学模型中速度的关联项，是指关联载荷工作空间和作动器工作空间作动器变换矩阵J的变化率，即5.根据权利要求1所述的一种主动指向超静平台自主故障诊断与容错控制方法，其特征在于：步骤(2)将步骤(1)建立的主动指向超静平台动力学模型转换为新的线性模型，具体如下：新的输出方程即线性模型为：y＝J-1l式中，输入变量u定义为：u＝J-1fm。6.根据权利要求1所述的一种主动指向超静平台自主故障诊断与容错控制方法，其特征在于：步骤(3)定义主动指向超静平台中作动器平动位移δl和载荷位姿δχ的关系；具体如下：δl＝Jδχ式中，l＝[l1,l2,...,l6]T为主动指向超静平台中六作动器平动位移；关联矩阵J定义为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王有懿，关新，汤亮，张科备，郝仁剑，田科丰，朱琦，邢林峰，张聪，李勇，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11