航天器故障诊断中的动态阈值生成与快速故障估计方法研究

On-orbit fault diagnosis technology is of critical importance for spacecraft in improving its system reliability, guaranteeing the operation safety and preventing the occurrence of vital events. To improve the capability of the spacecraft fault diagnosis methods, this project investigates the problems of dynamic threshold generation and fast fault estimation in the spacecraft fault diagnosis by using novel observer design theory. Based on the analytical redundancies in the spacecraft, this project studies an interval observer-based method to generate dynamic thresholds to avoid the conservativity with fixed thresholds and then improve the performance of fault detection. Moreover, by introducing a reset into the augmented observer design, this project proposes a novel fault estimation method based on reset augmented observer. The proposed method is able to achieve fast fault estimation and attenuate overshoot in the fault estimate simultaneously, i.e. both speed and accuracy of the fault estimation is guaranteed. It should be noted that this study not only provides new methods for spacecraft on-orbit fault diagnosis, but also can be applied to other engineering systems.

航天器的在轨故障诊断技术对于提高航天器的系统可靠性、保证航天器的运行安全性、避免发生重大事故具有重要意义。为了提高航天器故障诊断方法的诊断能力，本项目利用新型观测器设计理论，对航天器故障诊断中的动态阈值生成与快速故障估计问题展开研究。以航天器系统中的解析冗余为基础，本项目研究利用区间观测器方法生成用于故障检测的动态阈值，以克服固定阈值设计的保守性、提高故障检测的性能；并且将重构机制引入到增广观测器设计中，提出基于重置增广观测器的故障估计方法，期望在提高航天器故障估计快速性的同时抑制故障估计中的超调，从而兼顾故障估计的快速性和准确性。本项目的研究不仅能够为航天器在轨故障诊断提供新的方法，也可用于其它复杂工程系统的故障诊断。

本项目为了提高航天器故障诊断方法的诊断能力，对故障诊断中的动态阈值生成、快速故障估计、多目标故障检测、故障诊断与容错控制一体化设计等问题展开研究。主要研究内容如下：.将区间分析中的zonotope技术引入到了故障诊断领域，研究了基于zonotope的故障检测与故障估计，该方法能够生成故障诊断所需的动态阈值，避免了人为选取故障诊断阈值的困难。.利用积分重置技术研究了自适应重置观测器，并在此基础上提出了一种基于重置增广观测器的快速故障估计方法，可以在提高故障估计快速性的同时，保证故障估计的准确性。.研究了复杂系统的H-／H∞故障检测观测器设计方法，通过有限频域设计方法提高了故障检测性能，并针对飞行控制系统进行了仿真验证，为航天器故障诊断提供了理论基础。.研究了航天器的同时故障诊断与容错控制方法。首先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。然后利用T-S建模技术将该思想进一步推广到不确定非线性系统，并利用导弹飞行控制系统进行了仿真验证。