基于混杂系统描述的航天器间歇故障诊断与容错控制技术研究

Frequently happened abnormal activities in the space environment lead to the presence of intermittent faults, which is one of the most emergent threats in spacecrafts. It is vitally important to provide a spacecraft withs fault diagnosis and fault-tolerance abilities so as to guarantee orbital operations, prevent vital events, and enhance survivability. Being faced with the challenge of monitoring and handling intermittent faults, we propose an effective method to describe intermittent faults by using probabilistic hybrid system models, and then develop a fault diagnosis approach based on the Bayesian theory and Dirichlet distribution. Furthermore, online updating of prior models is studied in order to deal with the autonomy requirement on fault diagnosis. Modern spacecrafts equip with numerous sensors distributively, manifoldly, and redundantly. To further improve the accuracy of fault diagnosis, we study the data-driven fault diagnosis method. Specifically, one-class support vector machine is used to detect the fault presence time, and NTF is exploited to feature extraction and analysis for intermittent faults. Finally, from the perspective of reliability and autonomy of the spacecrafts, multiple ranking robust fault-tolerant controllers are designed by considering both the model-based and the data driven fault diagnosis results. An optimal performance index is used to supervise the online controller selection, thereby the fault-tolerance against intermittent faults is achieved.

空间环境中的大量异常活动容易导致航天器发生间歇故障，已成为影响航天器安全运行的主要威胁之一。为了保证航天器正常运行，避免重大事故，提高生存水平，航天器必须具备自主故障诊断与容错控制能力。本项目针对航天器间歇故障难于侦测和处理的问题，采用概率混杂系统模型研究间歇故障的有效描述方法；研究基于贝叶斯理论和狄利克雷分布的航天器间歇故障诊断方法，结合在轨故障诊断自主性的要求，研究诊断模型中先验信息的在线更新问题；在传感器分布式、多元化、冗余条件下，为了进一步提高故障诊断的准确性，研究基于数据驱动的间歇故障诊断方法，利用一类支持向量机检测故障的发生时间，并将NTF用于故障特征提取与分析；从提高航天器自主性和可靠性的角度出发，综合考虑基于模型的故障诊断结果与基于数据的故障诊断结果，设计具有有序特性的鲁棒容错控制器，根据最优化指标实现鲁棒容错控制器的在线选取，实现对间歇故障的有效处理。

本项目针对可能发生间歇故障的航天器系统，综合利用模型和数据信息，从系统建模、故障分析到故障诊断与容错等多个方面针对航天器间歇故障的分析与处理展开了研究，主要研究内容如下：.基于混杂系统理论建立了航天器诊断与控制系统的混杂自动机模型，研究了典型航天器控制系统的建模与故障分析，并构建了一个航天器故障诊断与控制技术验证平台。.深入研究了基于模型的故障诊断技术，为处理航天器的间歇故障提供了理论基础：基于贝叶斯估计、H∞设计、积分重置等技术提出了多卡尔曼滤波器、鲁棒故障估计器、重置增广观测器等多种基于模型的故障诊断方法，提高了故障诊断的准确性和快速性。.研究了数据驱动的航天器间歇故障诊断方法：提出了基于希尔伯特-黄变换算法的故障特征提取方法；针对航天器中陀螺组件中间歇故障的诊断问题，提出了利用动态主元分析的故障检测与分离方法；并且将压缩感知理论中的稀疏优化算法引入到故障诊断领域，利用故障的稀疏特性实现了对过驱动航天器系统的执行器故障诊断。.研究了容错控制器的在线调度与在线调整，以保证航天器系统的稳定性、安全性和系统性能。提出了主动H∞容错控制器及其在线优化选择的多种容错控制策略。并且研究了控制律中参考量的在线调整问题，提出了基于约束优化的参考量在线调整方法。.针对具有执行器故障的航天器系统，提出了同时故障估计与容错控制思想。针对小姿态角运行条件下的航天器姿态控制系统，提出了一种故障估计与容错控制一体化设计方法。在此基础上，利用T-S模糊建模技术将故障估计与容错控制一体化设计思想进一步推广到不确定非线性系统，设计了适用于复杂飞行器系统的同时故障估计与容错控制器。