面向航天器延寿的冗余飞轮最大系统可靠性控制分配方法

本发明属于航天器姿态控制，具体涉及一种面向航天器延寿的冗余飞轮最大系统可靠性控制分配方法。

背景技术：

1、飞轮是航天器姿态控制系统中常用的执行机构，在干扰和故障影响下，一方面要在物理上实现控制作用对航天器姿态进行精准调整，另一方面需保证自身在恶劣环境及持续工作载荷下的寿命指标。将作为薄弱环节的飞轮可靠性动态建模预测结果用于控制优化而形成自主延寿姿态控制方法，不仅能最直接有效地提高姿态控制系统使用寿命，还可缝合“执行机构可靠性分析与控制设计割裂研究”的缺口，拓宽可靠性学科的应用场景，具有重要理论意义和工程价值。

2、目前对于航天器的自主健康维护研究还相对薄弱，未形成故障预测与健康管理的系统化理论体系和应用平台。虽然现有大量研究针对航天器执行机构开展了可靠性建模分析，但大都停留在单纯的量化分析和地面设计层面，未探讨对在轨姿态控制的影响及可能的自主维护措施。

3、传统控制系统的执行机构维护过程是被动的，即在执行机构故障下系统性能不能满足时，或者达到预定维护时间时才采取相应维护措施；而延寿控制则是一种主动管理执行机构健康的方法，是在执行机构出现退化或微小故障时，通过改变控制作用或者控制器结构、参数来自主延长系统的工作时间，提高设备的可用性。文献《salazar j c, weber p,nejjari f, et al. system reliability aware model predictive control framework[j]. reliability engineering&system safety, 2017, 167: 663-672.》基于可靠性建模提出了可靠性框架下的模型预测控制方法，其主要思想是利用执行机构可靠度作为控制律分配的重要性指标，然后构建多目标优化问题求解各个执行机构的控制律。由于执行机构可靠度与控制律相关，事实上这种通过控制律合理分配的优化方法可以使得系统整体的可靠性提高。然而，该方法利用失效率对执行机构可靠性进行建模，一方面失效率难以估计，另一方面没有充分利用能够在线监测的退化数据。

4、综上所述，一方面目前国内还未有相关文献和专利研究航天器的自主延寿姿态控制方法，另一方面现有方法仍存在理论和应用局限，亟需发展更具有理论创新性、工程适用性的航天器自主延寿姿态控制方法。

技术实现思路

1、针对航天器姿态控制系统长时间无人值守和缺乏维护下的退化失效问题，本发明提出一种基于最大化冗余飞轮系统可靠性的航天器控制分配自主延寿方法，围绕航天器的冗余飞轮系统控制分配优化问题，基于最大化系统可靠性思想提出一种能够延长航天器在轨使用寿命的控制分配优化方法，并用案例验证方法的可行性，从而提高航天器使用寿命和空间资产效益。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种面向航天器延寿的冗余飞轮最大系统可靠性控制分配方法，包括以下步骤：

4、第一步、以可测的飞轮电枢电流值的平方作为飞轮的性能退化表征量，建立性能退化表征量的维纳过程退化模型；

5、第二步、将飞轮在特定时间的可靠度定义为飞轮退化量值在该特定时间内未超过失效阈值的概率，基于第一步建立的维纳过程退化模型和可靠度定义，建立飞轮的可靠性评估模型；

6、第三步、基于冗余飞轮系统4中取3失效模式，结合第二步得到的飞轮的可靠性评估模型，建立冗余飞轮系统的可靠性模型；冗余飞轮系统4中取3失效模式指4个飞轮中至少有3个飞轮可靠才能保证整个冗余飞轮系统工作；

7、第四步、以第三步得到的冗余飞轮系统的可靠性模型为最大化目标函数，建立控制分配优化模型，并求解得到最优控制分配方案。

8、有益效果：

9、本发明针对航天器姿态控制系统长时间无人值守和缺乏维护下的退化失效问题，提出了一种可以自主延长航天器在轨使用寿命的方法，融合系统可靠性模型和控制分配策略形成最大可靠性控制分配模型，并通过递归算法实现在线求解。本发明的原理和计算过程简单易懂，容易实现工程化应用，可望有效延长航天器的使用寿命。

技术特征：

1.一种面向航天器延寿的冗余飞轮最大系统可靠性控制分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种面向航天器延寿的冗余飞轮最大系统可靠性控制分配方法，其特征在于，所述第一步中，建立的性能退化表征量的维纳过程退化模型如下：

3.根据权利要求1所述的一种面向航天器延寿的冗余飞轮最大系统可靠性控制分配方法，其特征在于，所述第二步中，建立的飞轮的可靠性评估模型如下：

4.根据权利要求1所述的一种面向航天器延寿的冗余飞轮最大系统可靠性控制分配方法，其特征在于，所述第三步中，建立的冗余飞轮系统的可靠性模型如下：

5.根据权利要求4所述的一种面向航天器延寿的冗余飞轮最大系统可靠性控制分配方法，其特征在于，所述第四步中，以冗余飞轮系统的可靠性模型为最大化目标函数建立控制分配优化模型如下：

6.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至5中任一项所述的一种面向航天器延寿的冗余飞轮最大系统可靠性控制分配方法的步骤。

7.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5中任一项所述的一种面向航天器延寿的冗余飞轮最大系统可靠性控制分配方法的步骤。

技术总结本发明涉及一种面向航天器延寿的冗余飞轮最大系统可靠性控制分配方法，属于航天器姿态控制技术领域，包括：首先，建立飞轮电枢电流平方的维纳过程退化模型；其次，基于维纳过程退化模型建立飞轮的可靠性评估模型；然后，基于冗余飞轮系统4中取3失效模式建立冗余飞轮系统的可靠性模型；最后，以冗余飞轮系统的可靠性模型为最大化目标函数建立控制分配优化模型，并求解得到最优控制分配方案。本发明实现冗余飞轮系统使用寿命的最大化，其原理和计算过程简单易懂，容易实现工程化应用，产生较好的航天器在轨自主延寿效果。技术研发人员：章健淳,余翔,郭雷受保护的技术使用者：北京航空航天大学杭州创新研究院技术研发日：技术公布日：2024/7/25