计算受限情况的非线性闭环系统故障诊断及在航天器控制系统中的应用研究

本项目拟以航天器控制系统为对象，针对计算受限情况的非线性闭环控制系统，研究具有双层结构的故障诊断系统。针对基于故障检测的底层系统，本项目以非线性系统互质分解技术为基础，根据设计好的控制器结构，在不增加额外计算量的前提下，建立系统残差并设计自适应阈值；针对基于故障分离和估计的高层系统，在根据不同工作点建立非线性闭环控制系统多模型的基础上，分析各种故障在非线性闭环控制系统中的传播机理，研究各种故障的解耦条件，设计故障分离器和自适应故障估计器，并给出其存在条件；建立一套实用的故障诊断方法，开发可视化仿真软件，开展仿真试验，为实际应用奠定基础。本项目的研究为解决航天器控制系统故障诊断问题提供重要的理论依据，具有广阔的应用前景和重大的现实意义，同时本项目对解决大规模复杂工业控制、飞行控制、装备制造、电力系统等各种非线性闭环控制系统的故障诊断起到重要的指导作用。

航天器故障频发的严峻现实和新一代航天装备的发展都对故障诊断提出了较高要求，但航天器控制系统的闭环特性和资源约束问题限制了先进故障诊断方法在实际型号中的应用，因此本课题重点围绕航天器控制系统研究了故障诊断相关问题，并以某高轨卫星控制系统为对象，在半实物仿真平台上进行验证。主要贡献包括：.(1)围绕航天器控制系统的闭环特性，研究了基于解析冗余关系的故障可诊断性分析方法，克服了闭环反馈对分析结果的影响，给出了包含组件级、子系统级和系统级的航天器控制系统故障可诊断性分析框架；.(2)重点考虑计算能力与存储空间的约束问题，提出Youla参数化和互质分解相结合的残差设计方法，为了提高故障检测的灵敏度，通过分析闭环系统中测量噪声对残差的影响，给出阈值优化设计方法，并从故障检测性能、占用机时和占用内存等方面将该方法与基于观测器的方法进行了比较；.(3)提出参考模型设计方法，通过分析故障在闭环系统中的传播过程，采用解耦思路将故障分离单元的设计转化为优化问题进行求解，分别利用部件级和系统级故障对其有效性进行验证；.(4)针对建立的反映故障与反馈影响的航天器控制系统模型，将故障看作未知输入，设计自适应观测器，利用线性矩阵不等式技术求解观测器增益矩阵，可实现常值与时变故障的估计；.(5)故障诊断性能依赖于状态估计的准确性，本课题采用强跟踪滤波器技术，重点研究了非线性系统的状态估计问题，用于姿态机动情况下航天器控制系统故障诊断；.在上述方法研究的基础上，搭建航天器控制系统双层故障诊断系统，为推进先进故障诊断方法在实际型号中的应用奠定基础。