执行器不确定系统鲁棒预测动态控制分配策略

针对多操纵面级联飞行控制结构中执行器存在多面体不确定的问题, 提出了一种基于鲁棒预测控制理论的动态控制分配策略. 考虑位置约束和速率约束, 建立了多面体不确定冗余执行器的增广控制模型; 以执行器状态和虚拟指令跟踪误差为增广变量构造二次型李亚普诺夫函数, 将无穷时域Min-Max非线性规划转化为线性矩阵不等式凸优化问题, 设计了保守性小的鲁棒预测控制律. 各个控制指令汇集到一个混合优化控制分配器, 由它分派控制指令, 以最优地补偿执行器的不确定动态特性. 仿真结果表明, 该策略可综合补偿执行器的多面体不确定性, 在操纵面偏转范围内精确地跟踪虚拟指令, 保证了闭环系统的稳定性, 具有较好的鲁棒性.     

过驱动飞行器线性参变鲁棒预测跟踪控制策略

针对飞行包线内过驱动飞行器参数线性时变、控制量多增益调度难的问题,基于约束动态控制分配提出了一种主环线性参变鲁棒预测跟踪控制器.采用飞行状态增量以及跟踪指令误差为增广变量,建立了过驱动飞行器的多面体线性参变离散控制模型.引入H∞性能指标,通过参变量转换将无穷时域min-max非线性鲁棒预测控制优化问题约简为线性矩阵不等式凸优化问题.以操纵面偏转跟踪误差和偏转变化量为混合二次型指标,建立了包含执行器动态性能的无约束控制分配模型.进而考虑操纵面的物理约束,设计了级联动态控制分配策略.仿真结果表明,该方法能够生成合理的操纵面控制指令,实现参考指令的有效跟踪.     

一种完全数据驱动的子空间辨识与鲁棒预测控制器设计

针对线性时变多变量系统,在可能存在输入输出数据噪声的情况下,不需已知系统的先验结构信息,提出一种完全数据驱动的子空间辨识及控制器设计方法.在子空间在线辨识基础上,利用不确定性模型更好地建模被控系统,结合鲁棒控制策略进行预测控制器的设计;将系统建模与鲁棒控制器的设计包含在一个控制系统设计框架内,对模型不确定性具有更好的鲁棒性;最后给出仿真实例验证算法的有效性.     

液压厚度控制系统的数据驱动预测控制

热连轧液压厚度控制系统是由多机架协调工作完成的,针对液压厚度控制系统的大时滞特性,结构不确定性以及外部扰动等扰动的影响,提出液压厚度控制系统的数据驱动预测控制策略。采用串级控制方式,将监控AGC系统测得的实际厚度和压力AGC系统利用弹跳方程计算得到的厚度数据反馈给控制系统,利用子空间辨识方法,直接设计数据驱动预测控制器,增强抗干扰能力,提高控制精度。仿真结果表明该方法能够提高控制精度,具有较好的控制性能。     

基于动态控制分配的卫星姿态控制系统容错控制北大核心CSCD

针对卫星姿态控制系统执行机构故障情况下的姿态跟踪问题,研究了一种基于动态控制分配的容错控制方法。首先,考虑由卫星转动惯量不确定性与外界干扰组成复合干扰,设计了基于干扰观测器的反步姿态跟踪控制器,利用干扰观测器对复合干扰进行估计,并且采用李雅普诺夫方法分析了闭环系统的稳定性;其次,针对发生乘性执行机构故障的卫星姿态控制系统,设计了基于动态控制分配的容错控制方法,该方法无需对控制律进行调整,而是利用故障信息调整目标函数,通过动态控制分配方法实现容错控制。仿真结果表明,该方法能够在执行机构发生故障情况下有效完成姿态跟踪。     

基于动态控制分配的卫星姿态控制系统容错控制

针对卫星姿态控制系统执行机构故障情况下的姿态跟踪问题,研究了一种基于动态控制分配的容错控制方法。首先,考虑由卫星转动惯量不确定性与外界干扰组成复合干扰,设计了基于干扰观测器的反步姿态跟踪控制器,利用干扰观测器对复合干扰进行估计,并且采用李雅普诺夫方法分析了闭环系统的稳定性;其次,针对发生乘性执行机构故障的卫星姿态控制系统,设计了基于动态控制分配的容错控制方法,该方法无需对控制律进行调整,而是利用故障信息调整目标函数,通过动态控制分配方法实现容错控制。仿真结果表明,该方法能够在执行机构发生故障情况下有效完成姿态跟踪。     

多操纵面飞机变参数动态控制分配策略

针对操纵面饱和时混合优化控制分配效率低的问题, 提出一种包含执行器动态的多操纵面变参数控制分配策略. 考虑执行器物理约束和动态特性, 构建多操纵面飞机控制分配模型. 以权系数变换矩阵为参数, 将非线性混合优化控制分配律线性化. 分别建立忽略和包含执行器动态的变参数控制分配线性矩阵不等式优化模型, 并研究控制分配系统对参数变化的灵敏度. 仿真结果验证了变参数动态控制分配策略的有效性.

     

无人动力伞在线子空间预测控制

针对无人动力伞(UPP)的飞行具有不确定性、非线性和复杂性的特点,建立了无人动力伞6自由度非线性动力学模型,仿真分析了模型对输入信号的响应特性.提出了无人动力伞在线子空间预测控制算法.该算法能及时地克服模型失配、时变及干扰等对飞行控制系统的影响,使有约束的预测控制能够在控制时域内保持最优.仿真结果表明,该算法能有效辨识仿真模型产生的输入输出数据,表现出了较好的跟踪性能和控制精度.     

数据驱动闭环子空间预测控制方法研究与应用

提出一种完全数据驱动的闭环子空间辨识及预测控制器设计方法. 该方法完全由闭环系统的输入输出数据辨识子空间矩阵, 通过子空间矩阵的拆分, 排除了与扰动相关的模型输入, 进而获取子空间矩阵参数的无偏估计; 将辨识得到的闭环系统子空间矩阵描述直接作为预测模型, 设计预测控制器; 将其应用于某钢铁集团焦炉炭化室压力控制系统, 取得了良好的控制效果.

     

小型无人直升机的无模型自适应鲁棒控制设计

本文针对小型无人直升机的姿态控制问题,考虑到现有基于模型的控制方法对系统动力学模型的依赖性,以及未建模动态对系统控制性能的影响,设计了一种新的基于数据驱动的无模型自适应鲁棒控制律.通过基于数据驱动的设计方法,降低了控制器对直升机动力学模型先验知识的依赖,补偿了未建模不确定性的影响.仅利用无人直升机的输入输出数据,即可实现对无人直升机系统的稳定姿态控制.然后本文结合离散滑模控制设计,补偿了未知外界扰动的影响,提高了系统的鲁棒性,并通过理论证明了控制误差的收敛性和闭环系统的稳定性.最后,在本研究组自主开发的无人直升机飞行控制实验平台上,进行了无人机实时控制实验.实验结果表明,本文所提出的控制算法取得了很好的姿态控制效果,并对系统不确定性和外界风扰动具有良好的鲁棒性.     

Fault-tolerant control strategy for multicylinder hydraulic press machine based on dynamic control allocation and adjustable multiobjective optimization

A hierarchical controller is proposed for achieving high-accuracy control and the dynamic balance with the presence of multiple faults of actuator, the external disturbance, and the model uncertainties in multicylinder hydraulic press machine (MCHPM). The method divides the controller design into three steps: Virtual fault-tolerant control law, control allocation algorithm, and actuator control law, which are progressive. First, to precisely compensate the lumped disturbances including the multiple faults of actuator, the external disturbance, and the model uncertainties, a disturbance observer (DO) is developed. By combining the observer with the sliding mode control (SMC), a virtual fault-tolerant control law is designed. Second, a highly integrated control allocation algorithm for the virtual fault-tolerant control law is proposed to get the desired driving force, taking into account dynamic control allocation (DCA), multiobjective optimization (MOO) and Analytic Hierarchy Process (AHP) simultaneously. Third, taking the driving force obtained from above control allocation algorithm as the desired target, the control law of each cylinder is calculated. The global stability for the whole system is proved by the Lyapunov theory. Lastly, results of simulation and experiment show that the proposed controller can effectively handle different faults and have more superior control performance.     

An adaptive integral sliding mode FTC scheme for dissimilar redundant actuation system of civil aircraft

ABSTRACT

This paper proposed a new adaptive integral sliding mode FTC scheme to deal with the actuator faults and failure. The scheme combines integral sliding mode control, control allocation scheme and adaptive strategy. The unknown actuator faults are handled by adaptive modulation gain of nonlinear ISMC law. To cope with complete failure, control allocation scheme is integrated with the baseline controller to provide tolerance. The proposed strategy relies on the estimate of actuator effectiveness. Therefore, an adaptive sliding mode observer based fault reconstruction scheme is proposed in this paper. The proposed scheme is implemented on dissimilar redundant actuation system driven by hydraulic and electro-hydraulic actuators. In nominal and faulty conditions, both actuators are contributing to achieving the desired control surface deflection. However, when the actuator failure occurs, the control signals are reallocated to the redundant actuator. The problem of dynamics mismatch is addressed using fractional order controller designed in an inner loop. The comparison with the existing literature is also conducted in the simulation to validate the dominant performance.     

Frequency domain subspace identification of a tape servo system

As capacity demands for magnetic tape storage systems grow, servo actuator design for tracking data on high density tape media presents new modeling and control design challenges. In this paper a frequency weighted subspace identification algorithm is presented for control relevant model estimation of a tape servo actuator. Common to other subspace identification methods, the proposed algorithm is based on linear algebra techniques providing means for model order selection and model computation. The proposed subspace identification also allows for frequency dependent weightings to emphasize frequency data around the cross-over frequency to find models relevant for control design. The algorithm is applied to data obtained from a tape storage device, demonstrating model order selection and the estimation of servo actuator dynamics with control relevant model fit criteria.     

网路化双线性系统的预测控制优化算法研究

本文对一类离散时间双线性系统进行网络化预测控制研究.针对控制系统网络信道传输引起的前向通道和反馈通道时延问题,基于双线性系统结构特性提出2种逐步优化算法对非凸优化问题进行求解,进而得到未来时刻的预测控制序列.仿真实例说明所求预测控制序列可以主动补偿网络引起的时延问题,从而说明所提出预测控制算法的有效性.     

考虑作动器动态补偿的飞机增量滤波非线性控制

针对飞机大迎角机动存在的模型参数不确定问题,提出了一种考虑作动器动态补偿的增量滤波非线性控制方法.基于推力矢量飞机姿态控制模型,利用Taylor级数展开和状态导数反馈分别设计了增量形式的气流角和角速度控制器.针对低通滤波求取状态导数产生的延迟,通过对控制量进行滤波补偿保证了状态导数反馈和控制量反馈的时间同步性.在此基础上分析了作动器动态对角速度闭环控制性能的影响,通过补偿器设计使系统具有期望的作动器动态,克服了增量式控制方法对作动器高带宽的限制.仿真结果表明本文提出的增量滤波非线性控制方法具有强鲁棒性和快速动态响应能力.     

压电陶瓷驱动器ECNLP动力学模型及其位移跟踪控制器的研究

针对压电陶瓷驱动器中存在的复杂非线性滞回动力学特性, 首先建立了一种新型机电耦合非线性集总参数(Electromechanical coupling nonlinear lumped-parameter, ECNLP)模型. 该模型不仅能够准确、合理地刻画压电叠堆中的非线性滞回动、静态特性, 而且充分考虑了驱动器中弹性和运动部件的动力学特性. 基于此模型, 利用微分几何的输入输出线性化原理, 实现了该模型的精确线性化变换, 并导出了相应的线性可控规范型子系统. 根据该子系统, 提出了一种基于LQ方法的压电陶瓷驱动器非线性位移跟踪控制系统, 并进一步验证了余下内动态子系统的稳定性. 最后, 通过仿真计算检验了系统的控制效果.     

平流层演示验证飞艇可重构控制系统设计

采用加权广义逆方法,设计"致远一号"平流层演示验证飞艇的可重构控制系统,当执行机构发生故障时,不需改变控制律,只需改变操纵效率加权矩阵的权值就可实现快速重构;飞艇配置有混合异类执行机构,各执行机构对飞艇运动存在操纵冗余和驱动耦合;引入间接控制向量,建立执行机构故障类型与操纵效率加权矩阵取值对照表,解决飞艇非线性操纵的控制分配与重构问题。给出系统正常和故障情况下,高度和偏航角跟踪仿真试验。结果表明,系统正常时,各执行机构复合控制飞艇,响应时间最短,实现混合异类执行机构配置下的优化控制分配;当其中一个执行机构故障时,系统仍能实现期望的动态性能,实现快速重构。