基于光滑二阶滑模的可重复使用运载器有限时间再入姿态控制

针对可重复使用运载器(reusable launch vehicle,RLV)的六自由度再入模型,考虑模型不确定和外界干扰对再入姿态控制的影响,提出了一种非线性鲁棒控制策略.首先,根据多时间尺度特性将RLV的再入姿态模型分为姿态角子系统和姿态角速率子系统.其次,对每个子系统分别设计光滑二阶滑模控制器和滑模干扰观测器实现子系统的有限时间稳定.利用干扰观测器可以实现对不确定和外界干扰的精确估计,从而对控制器进行有效的补偿.进而,基于Lyapunov理论证明了整个系统的有限时间稳定.最后,通过仿真验证了提出的控制策略具有良好的控制性能和鲁棒性.     

基于Terminal 滑模的高超声速飞行器姿态控制

针对高超声速飞行器六自由度再入模型,考虑模型参数不确定和外界干扰对再入姿态控制的影响,基于Terminal滑模对再入过程中姿态角的跟踪控制问题进行研究.为了减少外界高频噪声对系统性能的影响,首先,利用多时间尺度技术将姿态模型划分为双环结构;然后,分别针对各环路设计Terminal滑模控制器,并通过Lyapunov理论和奇异摄动理论对系统的稳定性进行证明.仿真结果表明,对于六自由度再入模型,该控制方法能够很好地跟踪再入制导指令.     

基于拟连续高阶滑模的高超声速飞行器再入姿态控制

考虑模型参数不确定和外界干扰对再入制导控制性能的影响,基于拟连续高阶滑模控制策略对高超声速飞行器的再入制导控制问题进行了研究.首先,给出再入制导指令的设计过程.其次,基于再入飞行特性对模型进行简化,获得面向控制的姿态模型,在此基础上,通过引入新的控制变量,设计解耦滑模面,实现姿态间的解耦.再次,为了削弱控制抖振,通过引入虚拟控制,对系统进行增广,基于齐次性理论设计拟连续三阶滑模再入姿态控制器,确保系统在有限时间实现对制导指令的稳定跟踪.最后,六自由度再入飞行器的制导控制一体化仿真结果表明,本研究给出的控制策略在不影响系统鲁棒性的同时,能够实现对标称轨迹和再入姿态的综合控制.     

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.     

基于干扰观测器的非线性不确定系统自适应滑模控制

本文研究了一类基于非线性干扰观测器的多输入多输出非线性不确定系统的边界层自适应滑模控制方法并应用于近空间飞行器高精度姿态控制.考虑系统存在不确定性和外部干扰上界未知的情况,设计了基于干扰观测器的边界层自适应滑模控制器,以消除传统滑模控制中的"抖振"现象,使跟踪误差趋近于零.同时,利用李雅普洛夫方法严格证明了闭环系统的稳定性.最后将所研究的自适应滑模控制方法,应用于某近空间飞行器的姿态控制中,仿真结果表明在不确定性和外部干扰作用下能保证姿态控制的稳定性,对参数不确定具有较好的鲁棒性.     

可穿戴五自由度上肢外骨骼机器人固定时间控制

针对可穿戴上肢外骨骼系统在外部干扰及参数不确定条件下的轨迹跟踪问题,提出了一种基于观测器的固定时间控制策略.首先,采用拉格朗日方法对五自由度上肢外骨骼系统的动力学模型进行面向控制处理.其次,考虑模型中存在参数不确定及外部干扰,基于改进超螺旋算法设计了固定时间干扰观测器,实现对系统干扰的实时估计,完成对控制器的在线补偿;在此基础上,设计了非奇异终端滑模固定时间控制律,保证外骨骼关节角度跟踪误差在固定时间内收敛至原点.再次,基于Lyapunov方法证明了闭环系统的稳定性.最后,通过对比和数值仿真结果证明所提出控制策略的有效性.     

基于NDO的潜艇反演滑模深度控制

针对潜艇变深运动与定深运动过程中存在模型非线性、强耦合和外界干扰不确定等问题,设计一种基于非线性干扰观测器(NDO)的反演滑模控制策略.利用NDO观测系统不确定性和外界干扰,通过选取设计参数,使观测误差指数收敛.针对潜艇垂直面控制系统双通道耦合的特点,采用艏舵控制深度,艉舵控制纵倾的策略.在深度和纵倾通道分别引入NDO后,采用反演法设计滑模控制器,基于李亚普诺夫稳定性理论证明闭环系统的全局渐近稳定性,实现对潜艇深度和纵倾的控制.仿真实验验证了该控制策略的有效性.     

基于干扰观测器的航天器非奇异终端二阶滑模控制

为了消除干扰力矩和结构不确定性对卫星姿态控制性能的影响,本文提出了一种基于新型干扰观测器的非奇异终端二阶滑模控制方法.首先,文章设计了一种基于跟踪微分器的干扰观测器,来对卫星系统中的不确定项进行估计,利用估计值进行补偿,并保证估计误差在有限时间内收敛.在此基础上,文章设计一个非奇异终端滑模面,当系统到达滑模面时,姿态误差可以在有限时间内收敛,并利用二阶滑模趋近律设计控制器,保证系统在有限时间到达滑模面.在干扰观测器误差未完全收敛时,滑模控制器可以对存在的扰动进一步抑制,实现姿态跟踪系统的有限时间稳定,并通过李雅普诺夫方法严格证明了其稳定性.最后,仿真结果表明,干扰估计值误差可以在有限时间内收敛,证明了该控制方法对存在的干扰是具有较好的鲁棒性.     

基于高阶滑模观测器的自适应时变滑模再入姿态控制

针对再入飞行器鲁棒姿态控制问题, 提出一种基于高阶滑模观测器的自适应时变滑模控制器设计方法. 首先, 设计了一种时变滑模面, 并在此基础上推导了相应的时变滑模控制律, 其中滑模控制中切换增益通过一种自适应算法获得, 消除了控制器设计过程中对系统不确定性上界已知的要求; 然后, 利用高阶滑模观测器对控制器设计过程中用到的姿态角导数信息进行观测, 同时能够获得系统扰动估计值, 从而构造一种基于观测器的控制器形式; 最后, 通过仿真验证了所提出的控制算法在提高再入飞行器姿态控制精度以及系统鲁棒性方面的有效性.     

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.     

基于扩张状态观测器的UCAV自适应滑模控制

针对固定翼UCAV（Unmanned Combat Aerial Vehicle）系统中存在的不确定性和外部扰动，设计了一种基于扩张状态观测器的自适应超扭曲滑模控制器用来抑制系统扰动，从而提高对于UCAV的控制性能。建立固定翼UCAV的六自由度非线性模型，针对姿态控制和速度控制分别设计扩张状态观测器对模型中难以精确测量的状态量和外部扰动进行估计，依据奇异摄动原理分别对姿态和速度设计自适应超扭曲滑模控制器，实现对UCAV的姿态和速度的跟踪控制。采用某型固定翼UCAV非线性模型对所设计的控制器进行仿真验证，并且与传统的自抗扰滑模控制方法进行了对比，仿真结果表明，基于扩张状态观测器的自适应超扭曲滑模控制器具有更小的超调量和稳态误差。     

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.     

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.     

基于改进型非线性干扰观测器的爬壁机器人轨迹跟踪

针对爬壁机器人建模不准确及容易受外部扰动的影响造成位置及姿态误差的问题,提出了一种基于改进型非线性干扰观测器的轨迹跟踪控制方案.首先通过反演控制设计了一个运动学控制器为机器人动力学控制提供参考质心速度与角速度.其次应用改进型非线性扰动观测器作为前馈控制对建模误差及外部扰动进行估计,并保证扰动误差以指数形式收敛.最后针对...     

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.     

Immersion and Invariance-based Sliding Mode Attitude Control of Tilt Tri-rotor UAV in Helicopter Mode

In this paper, we propose an immersion and invariance-based sliding mode controller for a tilt tri-rotor unmanned aerial vehicle subjects to parameter perturbation, unmodeled dynamics, and external disturbances. The control scheme is divided into three parts, including the disturbance observer, the attitude controller, and the control allocation. Firstly, to alleviate the chattering and improve the robustness for attitude control, the observer using immersion and invariance theory is developed to estimate the disturbance. Note that the observer can relax the requirement of disturbance upper bound and guarantee the convergence of the estimation error. Secondly, to improve the dynamic response capability, a sliding mode attitude controller with an adaptive switch function is designed based on the disturbance observer. Thirdly, a hierarchical control allocation algorithm is proposed. The performance improvement is illustrated by comparing with other sliding mode controllers. Simulations and flight experiments are conducted to verify the effectiveness and applicability of the proposed control scheme.

     

Continuous adaptive-gain finite-time control for rigid body attitude dynamics on SO(3)

In this paper, the attitude tracking problem for the rigid body with model uncertainties and external disturbances is investigated in a coordinate-free way. A continuous adaptive-gain second-order sliding mode controller is designed to ensure the establishment of a real second-order sliding mode in finite time, and then the predefined nonsingular fast sliding surface further implies finite-time stability of the attitude error vector and the angular velocity error vector. The key feature of the proposed controller is that it does not require the knowledge of the boundary of the disturbance gradient. A rigorous mathematical proof for the stability of the control system is derived by using the Lyapunov function technique. Finally, simulation comparisons illustrate the effectiveness and robustness of the controller.     

带有干扰观测器的高超声速飞行器滑模控制

针对高超声速飞行器非线性和易受干扰影响的特点,提出了带有扩张状态干扰观测器的连续滑模控制方法.在对飞行器非线性模型做线性化处理的基础上,设计了一种连续时间滑模控制器.该控制器在对不确定性和未知动态保持鲁棒性的基础上,消除了传统滑模中存在的抖振现象.对系统中存在的外加干扰,设计了扩张状态干扰观测器.将外加干扰作为系统的一个状态变量被估计出来,再将估计值用作滑模控制器的补偿量,进而达到消除外干扰的目的.在高超声速飞行器巡航飞行状态的基础上进行了仿真.仿真结果表明,所提出的方案能够满足控制要求.