一種基于故障可重構(gòu)性約束的衛(wèi)星控制系統(tǒng)方案優(yōu)選方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航空航天技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于故障可重構(gòu)性約束的衛(wèi)星控制系統(tǒng) 方案優(yōu)選方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航天技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)衛(wèi)星的可靠性、安全性和工作壽命提出了越來(lái)越高 的要求。由于故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)能夠在系統(tǒng)故障后及時(shí)檢測(cè)和定位故障，并通過(guò)系 統(tǒng)重構(gòu)使故障影響降至最低，因此已成為從系統(tǒng)層面克服產(chǎn)品固有可靠性不足，提高衛(wèi)星 運(yùn)行可靠性和延長(zhǎng)壽命的有效手段。然而，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外多次發(fā)生了衛(wèi)星在壽命初期甚至 剛?cè)胲夒A段就完全失效的嚴(yán)重事件，表明了目前衛(wèi)星在系統(tǒng)重構(gòu)能力方面存在不足。因此， 提高系統(tǒng)重構(gòu)能力已成為衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)高可靠長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵問(wèn)題。
[0003] 衛(wèi)星重構(gòu)能力不足的主要原因就是自身的可重構(gòu)性設(shè)計(jì)差，致使一些故障發(fā)生后 不能夠及時(shí)采取有效措施進(jìn)行處理。因此，必須把可重構(gòu)性設(shè)計(jì)納入設(shè)計(jì)體系，使其成為衛(wèi) 星設(shè)計(jì)要素，才能有效的提升衛(wèi)星在軌故障應(yīng)對(duì)能力。目前針對(duì)可重構(gòu)性設(shè)計(jì)技術(shù)的研宄 主要集中在制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)可重構(gòu)性設(shè)計(jì)增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)環(huán)境變化和功能變化 的能力。對(duì)于衛(wèi)星，關(guān)于重構(gòu)技術(shù)的研宄主要集中在故障后控制器的設(shè)計(jì)，但這屬于故障后 補(bǔ)救措施，不適用于衛(wèi)星研制階段的可重構(gòu)性設(shè)計(jì)。也有學(xué)者將故障可重構(gòu)性看作系統(tǒng)的 固有特性，從能控能觀格萊姆矩陣的奇異值的角度分析和評(píng)價(jià)LTI系統(tǒng)的重構(gòu)能力，但這 種方法沒(méi)有考慮系統(tǒng)各組成部分的配置情況，不適用于像衛(wèi)星控制系統(tǒng)這種具有大量冗余 的復(fù)雜系統(tǒng)。因此，解決在可重構(gòu)性約束條件下的控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)問(wèn)題，已成為提高衛(wèi)星 可靠性，提升在軌運(yùn)行質(zhì)量的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于故障可重構(gòu)性 約束的衛(wèi)星控制系統(tǒng)方案優(yōu)選方法，在設(shè)計(jì)階段考慮衛(wèi)星控制系統(tǒng)的重構(gòu)能力及資源約 束，給出各系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，從而保證在滿足可重構(gòu)性約束的條件下系統(tǒng)綜合性能 最優(yōu)。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0006] -種基于故障可重構(gòu)性約束的衛(wèi)星控制系統(tǒng)方案優(yōu)選方法，步驟如下：
[0007] (1)根據(jù)衛(wèi)星控制系統(tǒng)的能觀性和能控性，給出最小可行配置集合CS，具體包括 如下步驟：
[0008] (I. 1)對(duì)于衛(wèi)星控制系統(tǒng)，匯總敏感器配置和執(zhí)行器配置，令執(zhí)行器的可選配置為 a = Ia1, a2,…，aj，敏感器可選配置為s = (S1, S2,…，sp}，在穩(wěn)定狀態(tài)下，衛(wèi)星控制系統(tǒng)通 過(guò)如下線性系統(tǒng)進(jìn)行描述：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于故障可重構(gòu)性約束的衛(wèi)星控制系統(tǒng)方案優(yōu)選方法，其特征在于步驟如下： (1)根據(jù)衛(wèi)星控制系統(tǒng)的能觀性和能控性，給出最小可行配置集合CS，具體包括如下 步驟： (I. 1)對(duì)于衛(wèi)星控制系統(tǒng)，匯總敏感器配置和執(zhí)行器配置，令執(zhí)行器的可選配置為a = {叫，a2，…，aj，敏感器可選配置為s = {Sl，S2，…，sp}，在穩(wěn)定狀態(tài)下，衛(wèi)星控制系統(tǒng)通過(guò)如 下線性系統(tǒng)進(jìn)行描述：
其中，X e IT為狀態(tài)向量；w e，為控制向量，對(duì)應(yīng)于m個(gè)執(zhí)行器；J e IT為觀測(cè)向量， 對(duì)應(yīng)于P個(gè)敏感器;A，B和C為相應(yīng)維數(shù)的矩陣； (1. 2)令可選配置集a = {a" a2,…，am}和s = {s" s2,…，sp}中部分執(zhí)行器ar = {a" a2,…，am, }和部分敏感器Sr= {s ^ s2,…，sp, }參與控制，其中m' < m，p'彡p，則 A G a，\ G *?，此時(shí)，衛(wèi)星控制系統(tǒng)進(jìn)一步描述為：
其中，81>=8 2￡^1狀^//_喂.!/，(<7|)，//(<7:)，"-，乂/((7,,,)|.，當(dāng)執(zhí)行器& 1￡&11時(shí)，4(&1)=1， 否則 μ (a) = 0，i = 1，2,…，m ;同理，Cr= Σ srC，Eir 全 乂，(λ.丨)，乂/(、τ2)，·.·，//(.、,)^ ^ 感器 SiG s r時(shí) μ (s D = 1，否則 μ (Si) = 0, i = 1，2,…，ρ ; (1.3)令a:匚ar，與a ' r對(duì)應(yīng)的控制矩陣為 B，r = BYlar , 義全，其中 af a ' r時(shí) y (a i) = 1，否則 y (ai) = 〇，i = 1，2,…，m ;如果?滿足 四111^[1^1^~1^111]=11且/訓(xùn)左[5,,5,,^^"盡 ,4"丨]<"^?,,.〔|^，則&1·= {ai，a2，…，am, }為執(zhí)行器的最小可行配置；對(duì)A Ga的所有可能情況進(jìn)行遍歷，即得到執(zhí)行 器的最小可行配置集合CSa; (1. 4)對(duì)于敏感器，令< ，與s ' ^對(duì)應(yīng)的控制矩陣為?' =S's,.C， Σ二全 ，…，//(&)}，其中 Sie s ' r 時(shí) y (S i) = 1，否則 y (Si) = 〇，i = 1，2,…，q ;如果sj茜足： rank [CT AtCt …（Alri) TCT] = η 且畑汝[(Cf，(〇Γ …（，丫((：丫]<" ; 則s = {Sl，S2，…，sp}為敏感器的最小可行配置，對(duì)\ s的所有可能情況進(jìn)行遍歷，即 得到敏感器的最小可行配置集合CSs; (1. 5)根據(jù)執(zhí)行器和敏感器的最小可行配置集CSJP CS s，得到衛(wèi)星控制系統(tǒng)的最小可 行配置集CS : CS={ariUsrJ} i = l，2，···，|CSa| j = l，2，···，|CSs 其中CSa為通過(guò)步驟（I. 3)得到的一個(gè)執(zhí)行器最小可行配置，S CSsS通過(guò)步 驟（1.4)得到的一個(gè)敏感器最小可行配置，I · I為集合的勢(shì)； (2) 根據(jù)步驟（1)中得到的最小可行配置集合CS，對(duì)衛(wèi)星控制系統(tǒng)進(jìn)行可重構(gòu)性設(shè)計(jì)， 基于可重構(gòu)性指標(biāo)約束，給出可行的備選設(shè)計(jì)方案集合，具體包括如下步驟： (2. 1)取最小可行配置集合CS中的一個(gè)最小可行配置MFSi對(duì)最小重構(gòu)單元集MRUS進(jìn) 行初始化，具體為： 從CS中任取一個(gè)最小可行配置MFSi,則MFSiE CS，i = 1，2,…，|CS|，利用MFS #MRUS 進(jìn)行初始化：MRUS = MFSi; (2. 2)根據(jù)MRUS創(chuàng)建功能樹(shù)，計(jì)算功能樹(shù)的最小割集，進(jìn)而計(jì)算可重構(gòu)率r ; 計(jì)算可重構(gòu)率r具體為： (a) 計(jì)算故障可重構(gòu)度：
式中γ i (X)為第i個(gè)最小重構(gòu)單元在功能X下的可重構(gòu)度；MRUiE MRUS為第i個(gè)最 小重構(gòu)單元； (b) 計(jì)算系統(tǒng)可重構(gòu)率r :