基于super-twisting算法的多航天器姿态有限时间 分布式协同控制

针对受外界干扰和执行器故障影响的多航天器姿态协同控制问题,本文设计了一种基于干扰观测器的分布式协同supper-twisting滑模控制器.首先,将各航天器的外界干扰和执行器故障看作一个集总干扰,设计自适应滑模干扰观测器对其进行估计.其次,将supper-twisting算法和积分滑模面相结合,设计一种基于多航天器姿态一致性误差的分布式协同控制器,并由Lyapunov稳定性理论证明了所设计的多航天器姿态可以在有限时间内收敛到平衡点附近的邻域内.最后的仿真研究及比较结果表明,所设计的控制器可以加快系统的收敛速度,并提高系统的控制精度.     

考虑输入受限的航天器安全接近姿轨耦合控制

针对存在外部扰动和输入受限的航天器安全接近的问题,当扰动上界未知时,基于积分滑模控制理论设计了抗饱和的有限时间自适应姿轨耦合控制器.控制器的设计过程中采用了新型的避碰函数限制追踪航天器运动区域进而保证接近过程中航天器的安全性,同时通过辅助系统和自适应算法分别处理了输入受限和扰动上界未知.借助李雅普诺夫理论证明了在控制器的作用下系统状态在有限时间内收敛,且能够保证追踪航天器在实现航天器接近的过程中不与目标航天器发生碰撞.最后通过数字仿真进一步验证了所设计控制器的有效性.     

不同维分数阶混沌预设时间有限时间投影同步

对于不同维分数阶混沌系统的投影同步问题,设计了一种自适应滑模控制器。这使得带有内部不确定量和外部扰动的驱动,响应系统能够在任意预设的时间完成同步,自适应律可以逼近未知量的上界。并针对自适应滑模控制器由于干扰产生抖振的问题,提出了两种解决方案。首先是设计二维滑模控制表,将模糊控制方法加入滑模控制器组成模糊自适应滑模控制器...     

一类非线性系统的Terminal滑模控制

首先结合Terminal滑模控制的基本思想,即突破以往的线性滑动面,将非线性项引入到滑动面设计中,使得系统处于滑动模态阶段时,状态变量能够在"有限时间内"收敛至平衡点,给出了适用于高阶非线性系统的Terminal滑动面设计方法,基于Lyapunov稳定性理论得出了相应的控制器.进一步考虑系统参数摄动和外界扰动等不确定性因素上界的未知性,用Lyapunov稳定性方法给出了一个带有未知性上界参数估计的自适应Terminal滑模控制器.     

考虑终端角度约束的自适应积分滑模制导律

针对机动目标拦截末制导问题,提出一种考虑终端角度约束的自适应积分滑模制导律.首先给出一种有限时间收敛的非线性积分滑模面,采用快速终端滑模设计趋近律;然后设计一种对目标机动加速度上界平方进行估计的自适应律,给出具有光滑特性的自适应积分滑模制导律;最后基于有限时间理论证明闭环系统的有限时间收敛特性,并给出滑模变量、视线角以及视线角速率的收敛域.数值仿真结果验证了所提出设计方案的有效性.     

一类不确定分数阶混沌系统同步的自适应滑模控制方法

针对一类系统不确定及受外界干扰的分数阶混沌系统,本文首先将分数阶微积分应用到滑模控制中,构造了一个具有分数阶积分项的滑模面.针对系统不确定及外界干扰项,基于分数阶Lyapunov稳定性理论与自适应控制方法,设计了一种滑模控制器以及分数阶次的参数自适应律,实现了两不确定分数阶混沌系统的同步控制,并辨识出相应误差系统中不确定项及外界干扰项的边界.在分数阶系统稳定性分析中使用的分数阶Lyapunov稳定性理论及相关函数都可以很好地运用到其它分数阶系统同步控制方法中.最后数值仿真验证了所提控制方法的可行性与有效性.     

航天器自适应快速非奇异终端滑模容错控制

针对存在外部干扰、转动惯量矩阵不确定以及执行器故障的航天器姿态跟踪控制问题,本文提出了基于自适应快速非奇异终端滑模的有限时间收敛故障容错控制方案.通过引入能够避免奇异点,且具有有限时间收敛特性的快速非奇异终端滑模面,设计了满足多约束条件有限时间收敛的姿态跟踪容错控制律,利用参数自适应方法使控制器不依赖转动惯量和外部干扰的上界信息.Lyapunov稳定性分析表明:在存在外部干扰、转动惯量矩阵不确定以及执行器故障等约束条件下,本文设计的控制律能够保证闭环系统的快速收敛性,而且对执行器故障具有良好的容错性能.数值仿真校验了该控制律在姿态跟踪控制中的优良性能.     

四旋翼飞行器的自适应二阶滑模控制

针对四旋翼飞行器参数变化的姿态控制问题,将自适应光滑二阶滑模控制方法应用于四旋翼飞行器控制系统.对于参数变化引起的模型不确定性部分采用滑模干扰观测器进行补偿,对姿态系统设计自适应光滑二阶滑模控制器,有效地减弱传统滑模控制的抖振,控制器参数的在线调整提高了系统的控制精度.基于Lyapunov理论证明了系统的有限时间稳定.数字仿真和实验结果都验证了所提控制方法的有效性.     

基于快速终端滑模面的两旋翼飞行器有限时间姿态控制

针对带有模型不确定和外部干扰的两旋翼飞行器,提出一种基于快速终端滑模面的有限时间自适应姿态控制方法,保证两旋翼飞行器对期望姿态角度的有限时间跟踪。构造快速终端滑模面,并设计分段连续函数避免滑模变量求导产生的奇异值问题。在此基础上,设计有限时间姿态控制器,并设计系统不确定上界的自适应更新律,抵消模型不确定性和外部干扰的影响。经李雅普诺夫方法证明滑模变量、姿态角误差、角速度误差等闭环信号最终一致有界,且有限时间收敛至平衡点邻域,收敛时间与系统状态变量初始值有关。最后,采用了矩形波和 曲线作为设定信号,设计相应的跟踪实验,并在两旋翼飞行器平台上验证所提控制方法的有效性,且分析双曲正切函数对系统控制输入影响,经实验测试其可减少系统颤振现象。     

基于积分滑模的航天器有限时间姿态容错控制

针对存在执行机构故障和外部干扰的刚体航天器姿态稳定系统,本文提出了基于积分滑模的容错控制策略,实现了姿态有限时间稳定.首先,利用齐次系统相关理论,设计了一类饱和有界的基础控制律,保证了不存在执行机构故障和干扰情况下的姿态有限时间稳定.在此基础上,利用积分滑模和自适应技术设计了一种有限时间姿态鲁棒容错控制方案,对执行机构故障和干扰进行有效的补偿;该方案能够快速地实现姿态高精度稳定,并抑制系统抖振现象.最后,将本文提出的姿态容错控制方案进行数值仿真与对比,验证了方案的有效性与优越性.     

Robust Finite-time Attitude Tracking Control of Rigid Spacecraft Under Actuator Saturation

This paper investigates the robust finite-time attitude tracking control problem for rigid spacecraft considering the modeling uncertainty, external disturbance and actuator saturation. An auxiliary system is proposed to directly compensate for the saturated control input. First, the basic controller is formulated based on the fast nonsingular terminal sliding mode surface (FNTSMS), the fast-TSM-type reaching law and the auxiliary system in the presence of upper bounded external disturbance. Then, when facing system uncertainty which consists of both modeling uncertainty and external disturbance and has upper bounded first derivative, the extended state observer (ESO) is associated with the first controller to improve the robustness of control system. Furthermore, to handle more general system uncertainty which is upper bounded by a polynomial function of the closed-loop system states, a continuous adaptive controller is designed to compensate for the total system uncertainty on line. The proposed controllers are able to deal with system uncertainty, input singularity and actuator saturation, while simultaneously providing fast finite-time convergence speed for the control system. And the problems of complex parameters selection process and repeated differentiations of nonlinear functions can be avoided. Rigorous stability analyses are given via the Lyapunov stability theory and digital simulations are conducted to illustrate the effectiveness of the proposed controllers.     

输入饱和的充液航天器抗干扰有限时间滑模控制

研究三轴稳定充液航天器姿态控制过程中存在外部未知干扰、参数不确定和输入饱和的问题,提出一种抗干扰有限时间滑模控制的姿态机动控制方法.将部分充液贮箱内液体燃料晃动等效为球摆模型,采用动量矩守恒定律推导出充液航天器耦合动力学方程.首先,设计有限时间积分滑模干扰观测器,保证控制系统中集总干扰可以在有限时间内被估计;然后,基于所设计的干扰观测器,提出一种抗干扰有限时间快速终端滑模控制策略,并且证明在该控制律的作用下闭环系统的状态是有限时间稳定的,而且收敛到指定的快速终端滑模面上.此外,通过引入辅助变量补偿控制输入超调量,克服输入饱和的约束.仿真结果验证了该控制策略的有效性和鲁棒性.     

Adaptive integral backstepping sliding mode control for opto-electronic tracking system based on modified LuGre friction model

In order to improve the control accuracy and stability of opto-electronic tracking system fixed on reef or airport under friction and external disturbance conditions, adaptive integral backstepping sliding mode control approach with friction compensation is developed to achieve accurate and stable tracking for fast moving target. The nonlinear observer and slide mode controller based on modified LuGre model with friction compensation can effectively reduce the influence of nonlinear friction and disturbance of this servo system. The stability of the closed-loop system is guaranteed by Lyapunov theory. The steady-state error of the system is eliminated by integral action. The adaptive integral backstepping sliding mode controller and its performance are validated by a nonlinear modified LuGre dynamic model of the opto-electronic tracking system in simulation and practical experiments. The experiment results demonstrate that the proposed controller can effectively realise the accuracy and stability control of opto-electronic tracking system.     

交会对接模拟系统姿态跟踪有限时间抗干扰控制

针对交会对接模拟系统的姿态同步问题,在存在扰动和系统不确定性的情况下,利用改进的快速非奇异终端滑模面和改进的自适应律设计两个有限时间抗干扰控制器.改进的自适应律保证了两个控制器的连续性和对干扰的鲁棒性,且第2个控制器能解决边界层理论存在的边界层内有限时间稳定性丢失的问题.李雅普诺夫理论推导和仿真结果表明,提出的两个控制器能保证系统的有限时间稳定性,系统能快速收敛到平衡点.     

Nonsingular terminal sliding mode based finite-time control for spacecraft attitude tracking

This paper studies finite-time attitude tracking control problem of a rigid spacecraft system with external disturbances and inertia uncertainties. Firstly, a new finite-time attitude tracking control law is designed using nonsingular terminal sliding mode concepts. In the absence and presence of external disturbances and inertia uncertainties, this controller can drive the attitude and angular velocity tracking errors to reach zero in finite time. Secondly, a finite-time disturbance observer is introduced to estimate the disturbance, and a composite controller is developed which consists of a feedback control based on nonsingular terminal sliding mode method and compensation term based on finite-time disturbance observer. Finite-time convergence of attitude tracking errors and the stability of the closed-loop system is ensured by the Lyapunov approach. Numerical simulations on attitude control of spacecraft are also given to demonstrate the performance of the proposed controllers.     

Adaptive fault‐tolerant spacecraft attitude control using a novel integral terminal sliding mode

The attitude tracking of a rigid spacecraft is approached in the presence of uncertain inertias, unknown disturbances, and sudden actuator faults. First, a novel integral terminal sliding mode (ITSM) is designed such that the sliding motion realizes the action of a quaternion‐based nonlinear proportional‐derivative controller. More precisely, on the ITSM, the attitude dynamics behave equivalently to an uncertainty‐free system, and finite‐time convergence of the tracking error is achieved almost globally. A basic ITSM controller is then designed to ensure the ITSM from onset when an upper bound on the system uncertainties is known. Further, to remove this requirement, adaptive techniques are employed to compensate for the uncertainties, and the resultant adaptive ITSM controller stabilizes the system states to a small neighborhood around the sliding surface in finite time. The proposed schemes avoid the singularity intrinsic to terminal sliding mode‐based controllers and the unwinding phenomenon associated with some quaternion‐based controllers. Numerical examples demonstrate the advantageous features of the proposed algorithm. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于嵌套自适应观测器的 连铸结晶器振动位移系统有限时间容错控制

针对连铸结晶器振动位移系统存在伺服电机驱动单元等执行器故障和负载转矩扰动问题, 本文提出一种基于嵌套自适应观测器的有限时间容错策略. 首先, 设计一种嵌套自适应观测器在线估计由执行器故障和负载转矩扰动构成的综合不确定项; 其次, 采用分层设计与终端滑模相结合的方法, 分别对位移子系统和电流环子系统设计全阶滑模控制器(FOSMC)和终端滑模控制器补偿综合不确定项, 并通过引入一阶低通滤波器来提高控制信号的连续性. 理论分析表明, 本文所提容错控制策略能够保证闭环系统所有状态有限时间稳定; 最后, 通过仿真对比研究验证了本文所提控制策略的有效性.