摘 要

容错控制（FTC Fault-tolerant Control）就是在控制系统资源冗余的前提下，在执行器或其他元部件发生故障时，在一定程度上还能够保持控制系统稳定，使系统可以正常运行的一种控制方式。为了实现系统能够实时保证所要求的性能，本文通过对空间机器人执行器普遍存在的故障进行建模，为了使执行器始终达到系统的性能要求，本文采用主动容错控制的思想，设计基于Lyapunov稳定性定的模型参考自适应控制系统，自适应控制算法和自适应补偿控制器。为使被控对象的输出能够与参考模型始终保持一致，通过比较参考模型数值与被控对象实际数值产生的广义误差，广义误差的存在使自适应机构自动产生补偿，使广义误差逐渐趋近于0，达到控制目标。设计仿真实验，检验算法的是否有效。

关键词：容错控制；模型参考自适应控制算法；执行器故障；空间机器人；仿真；

Abstract

Fault-tolerant control (FTC Fault-tolerant Control) is in the control system resource redundancy under the premise of the actuator or other components in the event of failure, to a certain extent, to maintain the control system is stable, so that the system can run a control method. In order to realize the system to ensure the required performance in real time, this paper models the failure of the space robot actuator in order to make the actuator always meet the performance requirements of the system. In this paper, the idea of active fault tolerance control is designed based on Lyapunov stability The proposed model reference adaptive control system, adaptive control algorithm and adaptive compensation controller. In order to make the output of the controlled object consistent with the reference model, the generalized error can be automatically compensated by comparing the reference model value with the generalized error generated by the actual value of the controlled object, and the generalized error is gradually approached 0, to achieve control objectives. Design simulation experiment, test whether the algorithm is valid.

Key Words：Fault-tolerant control; Model Reference Adaptive Control Algorithm; actuator failure; space robot; simulation;

目 录

第 1 章 绪论 2

1.1选题背景与意义 2

1.2容错控制的理论综述 2

1.3自适应控制的理论和综述 2

1.3.1自适应控制系统的原理与简介 2

1.3.2自校正控制器 2

1.3.3模型参考自适应控制器 2

1.4基于自适应控制思想的主动容错控制 2

1.5本文各章内容安排 2

第 2 章 故障模型 2

2.1引言 2

2.2系统故障的数学表示 2

2.2.1故障模型 2

2.3执行器故障建模 2

2.4本章小结 2

第 3 章 基于状态反馈的模型参考自适应容错控制 2

3.1引言 2

3.2基于Lyapunov稳定性定理设计模型参考自适应系统 2

3.2.1李雅普诺夫稳定性定理 2

3.2.2基于Lyapunov稳定性理论设计模型参考自适应系统 2

3.3模型参考自适应控制器 2

3.3.1稳定性和收敛性分析 2

3.3.2参数收敛性分析 2

3.4仿真研究 2

3.5本章小结 2

第 4 章 总结与展望 2

参考文献 2

致谢 2

绪论

1.1选题背景与意义

随着社会的进步和科技的发展，人类遨游宇宙的梦想逐步成为现实，如卫星的发射、月球和行星的探测、载人航天的成功等。在空间活动中，航天器的交会对接和在轨维护以及生产、装配、检测等空间任务需要在轨完成。复杂的空间环境，使得宇航员开展空间作业有很大的困难，而且开展作业的投入非常高，因此，空间机器人在轨服务是空间活动的一个重要发展方向。空间机器人不仅可以代替人类宇航员在危险环境下进行长时间的舱外作业，而且可以作为人类宇航员的辅助工具完成高精度、高可靠性的操作任务。并且，空间机器人比宇航员具有的更强的抗高低温和抗辐射能力，省去了各种投入巨大的安保救生系统。

工业控制过程的大型化、复杂化、大规模，高水平的综合自动化以及巨大的投入，使得控制过程的可靠性，可维修性和有效性极其重要，尤其是在航空航天这类对控制质量的要求更高的行业。该类系统由于一直运行以及变化的工作环境，执行器迟早会出现问题。在航空航天或者其他高投入的领域，控制过程一旦发生意外造成人员和财产的损失将难以计算。

1985年日本JAL-747飞机因局部结构断裂而撞山机毁，机上524名人员中只有4人幸免。

2010年6月韩国的“罗老号”因整流罩出错导致发射失败，发射失败。

2013年7月韩亚航空波音客机失事，致使2名中国公民不幸遇难，事故原因初步鉴定为邮箱破裂导致韩亚航班坠机着火。

以及还有工业领域出现的事故：

1979年3月，美国宾夕法尼亚核电站发生核泄漏，15万居民被迫撤离。

1993年4月。俄罗斯西伯利亚托木斯克市一家化工厂一个盛满放射性溶液的容器发生爆炸，附近的几个村庄被整体迁移。

2011年，日本发生9.0级地震，福岛核电站发生泄露，辐射半径10公里范围内的45000人被迫撤离。

在故障不可避免并不能忽视的情况下，减少灾难性事故的发生，保证控制系统在这次工作过程中以及出现故障时的运行稳定。由于这种特性，容错控制系统，被广泛运用到工业领域中。