板球系统的参数自调整反步控制

为解决系统初始值大范围变化,且控制量受到饱和特性约束的板球系统镇定控制问题,提出一种自动调整待设计参数的反步控制方法.分析了反步法偏差系统的平衡点特性;说明了反步法待设计参数与偏差系统动态间的关系;构造了Mamdani模糊逻辑,以自动调整反步法待设计参数;考虑了控制量受饱和特性限制而引入的约束条件,进而以遗传算法优化了模糊规则.仿真和实验结果均表明,自动调整待设计参数的反步控制方法降低了镇定控制中的位置偏差和位置超调.     

四旋翼飞行器建模及其运动控制

针对四旋翼飞行器是一个欠驱动、强耦合、非线性系统,提出了运用反步法解决系统非线性问题,达到对飞行器快速、准确、稳定控制目的.研究了以反步法作为非线性设计工具对飞行器控制系统的设计问题,将飞行控制系统分为内外环2个子系统.建立四旋翼飞行器动力学及运动学方程,并对数学模型进行适当简化.利用反步法求解飞行器内环姿态控制律,实现对目标姿态角的稳定控制;利用比例—积分—微分(PID)作为飞行器外环位置控制律,实现对目标位置的稳定控制.搭建飞行器系统模型,进行Matlab/Simulink仿真实验,结果表明:在小角度飞行和悬停状态下,飞行器的位置与姿态精度得到了有效控制,验证了数学模型与控制律设计的准确性.     

基于神经网络的欠驱动水下机器人三维同步跟踪和镇定控制

研究了欠驱动水下机器人的三维同步跟踪和镇定控制问题,并考虑了模型参数不确定性、未知外界干扰和输入饱和限制的影响.针对不同类型期望轨迹的特性,构造了新的辅助虚拟信号以实现对欠驱动方向的控制.基于反步法和Lyapunov直接法,设计了一种饱和自适应统一动力学控制律,使得AUV的状态误差最终收敛至零点附近的有界区域内,其中未知模型参数和外部干扰通过基于神经网络的更新律进行估计.仿真结果表明该控制方法是有效的且具有较好的控制效果.     

考虑非线性因素的飞机防滑刹车系统控制

飞机的刹车过程存在较强的非线性,目前广泛应用的速度差加压力偏调式(PBM)控制律难以实现对飞机刹车的高性能控制.本文提出了一种考虑飞机刹车过程中非线性因素的滑模控制律.首先建立考虑轮胎跑道非线性和刹车盘摩擦系数非线性的的飞机防滑刹车系统非线性模型,然后设计了滑模观测器对飞机速度进行估计,并在此基础上设计了一种滑模变结构控制律,最后基于模糊理论对滑模控制律进行优化,从而抑制控制器的抖振.仿真结果表明,基于模糊指数趋近律的滑模变结构控制律控制效果优于传统“PD+PBM”控制律,抑制控制器输出抖振效果良好,能够很好的适应刹车过程中的复杂非线性因素,刹车效率高,控制方法合理有效.     

板球系统的参数自调整反步控制

为解决系统初始值大范围变化,且控制量受到饱和特性约束的板球系统镇定控制问题,提出一种自动调整待设计参数的反步控制方法.分析了反步法偏差系统的平衡点特性;说明了反步法待设计参数与偏差系统动态间的关系;构造了Mamdani模糊逻辑,以自动调整反步法待设计参数;考虑了控制量受饱和特性限制而引入的约束条件,进而以遗传算法优化了模糊规则.仿真和实验结果均表明,自动调整待设计参数的反步控制方法降低了镇定控制中的位置偏差和位置超调.

     

基于Backstepping的飞行控制系统设计

现代无人机多采用多操纵面设计,这样使其性能有很大的提高,但是同时也导致了飞机控制系统设计复杂度的增加.尤其在其大迎角飞行时,是一个非线性、时变、耦合的多输入多输出(MIMO)系统,这更增加了控制系统设计的复杂度.文中针对这个问题,提出了一种基于Backstepping(回推控制)的控制律设计方法,克服了传统增益调参法需要纵横向解耦、参数切换等缺点,且具有调节时间短、超调量小、鲁棒性强和易于工程实现等优点.将无人机迎角、侧滑角和滚转角速度作为被控指标设计控制律.通过对某型无人战斗机进行飞行控制律的设计分析,得到了满意的控制效果     

多模块浮动机场的纵荡饱和控制

浮动机场是由多个浮体模块通过柔性连接器串联的超大型海洋平台.本文研究近岛礁部署的浮动机场纵荡响应控制技术,改善平台的稳定性和操作性.为此提出一种基于模型的非线性MIMO控制方法,抑制多模块浮体之间的纵荡响应.首先,采用网络动力学的方法建立浮动机场的动力学控制模型;然后,考虑作动器输出力饱和约束条件下,结合反步法和饱和辅助系统推导出作动器控制律.数值仿真以五模块浮动机场为算例,验证控制方法的可行性和有效性,并与PID算法进行了比较.     

多操纵面飞机全局集合稳定非线性自适应动态控制分配

针对多操纵面飞机具有冗余操纵面的特点,考虑包含操纵面偏转角的位置约束和速率约束以及未知有界参数时的非线性控制分配问题,设计一种由上层虚拟控制律和自适应控制分配更新律组成的非线性角速度跟踪控制器.当系统满足充分激励条件时,基于集合稳定性理论,分别证明了上层虚拟控制子系统、控制分配子系统和整个闭环系统的全局一致渐近稳定性.对某多操纵面飞机的仿真结果验证了所提出方法的有效性,并且该方法能使参数估计收敛至真实值.     

基于单个双框架变速控制力矩陀螺的卫星姿态反步控制

研究了利用单个双框架变速控制力矩陀螺(DGVSCMG)实现卫星三轴姿态控制问题;文章建立了基于单个DGVSCMG的卫星姿态动力学模型,在此基础上采用反步法设计控制律,分为姿态环的设计和角速度环的设计,并通过Lyapunov稳定性定理验证了控制算法的稳定性;最后对该控制律进行的数值仿真结果表明,21s后卫星姿态控制精度优于10-2°,姿态稳定度达到10-3°/s量级,验证了文章方法的有效性。     

基于MEMS传感器的风洞尾旋姿态测量研究

尾旋是飞机在失去控制后的一种极危险的飞行状态,陷入尾旋极易造成飞机的坠毁,在飞机研制过程中为了提高其机动性及抗尾旋能力,必须对这种极限飞行状态进行研究。在立式风洞中开展尾旋试验是目前效率最高,安全性最有保障的技术手段。试验测试的主要参数是飞机在尾旋及改出过程中的姿态角（包括俯仰角、偏航角和滚转角）。在此简要介绍了通过陀螺仪、加速度计和地磁计进行姿态数据融合的算法,以及采用了一种MEMS传感器进行尾旋姿态测量的试验技术,并且其姿态数据可由Zigbee无线数据模块实时传送到测量计算机。通过试验验证,该技术简单有效,不受现场环境限制,系统动态性能稳定可靠,角度测试精度为优于1°,满足了试验需求,提高了试验效率及数据质量。     

Control Surface Faults Neural Adaptive Compensation Control for Tailless Flying Wing Aircraft with Uncertainties

A neural adaptive compensation tracking control scheme considering the prescribed tracking performance bound is proposed for a flying wing aircraft with control surface faults, actuator saturation and uncertainties of aerodynamic parameters. Second-order command filters are introduced to avoid the saturation of the actuators, prescribed performance bound strategy is designed to characterize the convergence rate and maximum overshoot of the tracking error, uncertainties of aerodynamic parameters are approximated by online RBF neural networks, and control allocation law is designed to reduce the coupling of the flight dynamics. The closed-loop control law is given based on adaptive backstepping compensation control scheme, and the stability of the closed-loop system is proved by Lyapunov based design. Simulation results are given to illustrate the effectiveness of the proposed neural adaptive compensation control scheme.     

反步自适应滑模变结构的小卫星姿态鲁棒容错控制

针对小卫星在轨运行中存在输入饱和、干扰力矩与执行器故障的姿态跟踪控制问题,提出了一种反步自适应滑模变结构鲁棒容错控制方法。该方法将反步控制和滑模控制相结合,利用自适应算法估计执行器有效因子最小值和干扰上界,避免了对故障的检测与隔离,实现了输入饱和、干扰和故障对系统稳定性影响的抑制。基于Lyapunov方法从理论上证明了闭环系统的稳定性;将该方法用于小卫星的状态跟踪控制,仿真结果表明该控制器能有效处理姿态控制时输入饱和受限的约束,对部分失效和偏差型故障具有较强的容错能力,并具有一定鲁棒性。     

非线性动态突变系统的多模型自适应执行器故障补偿设计

本文针对因多重不确定执行器故障而引起系统动态突变的非线性系统,设计了一种基于多模型切换的自适应执行器故障补偿控制策略,以提高系统应对动态突变的能力,同时实现不确定执行器故障的快速精确补偿.针对执行器故障模式的不确定性问题,采用基于多模型的参数估计方法,设计了自适应控制器组;基于最优性能指标函数,提出了一种控制切换机制,...     

考虑输入饱和的近空间飞行器姿态容错控制

针对近空间飞行器姿态控制中出现的执行器故障,输入饱和与外部干扰等问题,设计了一种基于二阶滑模干扰观测器和辅助系统的鲁棒容错跟踪控制方法.首先,将系统不确定,外部扰动和执行器故障作为复合干扰,设计super-twisting二阶滑模干扰观测器对其进行估计.然后为解决输入饱和问题构造了辅助分析系统,并借助backstepping方法,设计姿态容错跟踪控制器.利用Lyapunov方法,严格证明了所有闭环系统信号的收敛性.最后将所设计的控制方法应用于近空间飞行器姿态控制中,仿真结果验证了该控制方法的有效性.     

An adaptive fuzzy design for fault-tolerant control of MIMO nonlinear uncertain systems

This paper presents a novel control method for accommodating actuator faults in a class of multiple-input multiple-output (MIMO) nonlinear uncertain systems.The designed control scheme can tolerate both the time-varying lock-in-place and loss of effectiveness actuator faults.In each subsystem of the considered MIMO system,the controller is obtained from a backstepping procedure;an adaptive fuzzy approximator with minimal learning parameterization is employed to approximate the package of unknown nonlinear functions in each design step.Additional control effort is taken to deal with the approximation error and external disturbance together.It is proven that the closed-loop stability and desired tracking performance can be guaranteed by the proposed control scheme.An example is used to show the effectiveness of the designed controller.     

Adaptive Fuzzy Backstepping Tracking Control for Flexible Robotic Manipulator

In this paper, an adaptive fuzzy state feedback control method is proposed for the single-link robotic manipulator system. The considered system contains unknown nonlinear function and actuator saturation. Fuzzy logic systems (FLSs) and a smooth function are used to approximate the unknown nonlinearities and the actuator saturation, respectively. By combining the command-filter technique with the backstepping design algorithm, a novel adaptive fuzzy tracking backstepping control method is developed. It is proved that the adaptive fuzzy control scheme can guarantee that all the variables in the closed-loop system are bounded, and the system output can track the given reference signal as close as possible. Simulation results are provided to illustrate the effectiveness of the proposed approach.      

Extended sliding mode observer-based high-accuracy motion control for uncertain electro-hydraulic systems

In this paper, a novel robust backstepping control strategy is introduced to achieve high-accuracy tracking performance for electro-hydraulic servo systems (EHSSs) without velocity information in the presence of uncertainties and disturbances. Firstly, system dynamics of the studied EHSS considering parameter deviations, modeling errors, and unknown external loads which are grouped into lumped mismatched and matched disturbances in the mechanical system and pressure dynamics, respectively, are developed. On the basis of the sliding mode theory, two extended sliding mode observers (ESMOs) are originally established to simultaneously estimate the immeasurable angular velocity of the actuator, and lumped mismatched and matched uncertainties. As a consequence, an observer-based controller is designed using the conventional backstepping technique to ensure a highly accurate tracking position control. In addition, the stability of the observer and overall closed-loop control system is conclusively proven through the Lyapunov theory. Finally, several numerical simulations for an EHSS with a hydraulic rotary actuator are conducted to demonstrate the advantage of the recommended method compared to the existing well-known extended state observer-based control approaches.     

Command-filtered sensor-based backstepping controller for small unmanned aerial vehicles with actuator dynamics

In this study, a command-filtered sensor-based backstepping controller is proposed for small unmanned aerial vehicles (UAVs) with actuator dynamics. The command filter is introduced to prompt the virtual control law to be limited in a certain range and the corresponding state to subsequently be restricted to a certain area. When using the sensor-based backstepping recursive method, precise models of the UAVs are not required because the controller is not sensitive to the external disturbance. The actuator dynamics are compensated without prior knowledge of the mathematical model of the executing agency. Besides, a robust compensator is developed for the virtual control law of the first subsystem of the UAV, which shows strong robustness against the uncertainties of the aerodynamic coefficients and external disturbances. Moreover, the closed-loop system is proven stable in the sense that the signals are bounded. A numerical simulation is carried out to verify the effectiveness of the developed controller.     

飞翼飞行器的操纵面故障自适应补偿控制

本文针对具有操纵面卡死、失效故障以及执行器饱和的飞翼飞行器纵向运动,考虑系统的预定动态性能,提出了一种自适应反步补偿跟踪控制方案.设计预定动态性能(prescribed performance bound,PPB)边界以保证系统的跟踪误差,采用二阶指令滤波器限制执行器的饱和,通过控制分配避免执行器故障后对横侧向运动的影响.所设计的自适应反步补偿跟踪控制律能够保证系统对参考信号的渐近跟踪.仿真结果表明了本文方法的有效性.     

一种非仿射高超声速飞行器输出反馈控制方法

针对一类考虑模型非仿射特性和执行机构饱和特性的高超声速飞行器轨迹跟踪控制问题, 提出一种基于backstepping的输出反馈非线性控制方法. 考虑执行机构故障激发的未知非线性动态, 建立了非仿射形式飞行器模型. 为解决实际工程应用中存在的气流角测量值难以使用的问题, 利用高度和速度测量值以及高阶微分器设计了航迹倾角在线估计方法. 基于跟踪微分器设计了模型干扰项的估计方法, 并解决了backstepping方法应用中存在的“微分项爆炸”问题. 引入辅助系统降低控制量饱和带来的不利影响. 基于Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性. 最后, 通过对比仿真实验验证了所提方法的有效性.