状态测量不确定和动力学未知的无人艇固定时间容错控制

针对含有推进器故障和状态测量不确定的无人艇(Unmanned surface vehicle, USV)系统,提出一种基于双扰动观测器的固定时间容错跟踪控制(Double disturbance observer-based fixed-time fault-tolerance control, DDO-FxFC)方法.设计两个固定时间扰动观测器,分别估计状态测量不确定性产生的非匹配干扰和包含推进器故障的集总非线性,同时自适应实时补偿未知观测误差;采用测量位姿跟踪误差及其动态,设计快速非奇异终端滑模面,构建DDO-FxFC框架;理论分析证明DDO-FxFC方法能够确保跟踪误差固定时间收敛,其中收敛时间的上界独立于系统初始状态;针对原型USV的仿真结果和综合对比验证所提出DDO-FxFC技术的有效性和优越性.     

四旋翼无人机不匹配扰动抗干扰控制

针对四旋翼无人机存在的不匹配干扰和执行器故障等现象,提出了一种基于有限时间观测器的飞行控制方案。从无人机的运动学模型出发,构建了受执行器故障和不匹配干扰影响的控制模型。将干扰观测器与非奇异终端滑模控制 (NTSMC) 方法相结合,以实现复合抗干扰和容错控制器设计。首先,设计了两个非线性有限时间扰动观测器来估计不匹配扰动和执行器故障,有限时间观测器使得估计误差在有限时间内收敛到零。其次,将观测器与NTSMC控制方法结合,以在有限的时间内实现跟踪,并有效地减少抖振。最后,从理论和仿真验证了控制方法的有效性和所期望的控制性能。     

多无人机编队递归非奇异终端滑模容错控制

为解决四旋翼无人机编队飞行过程中易受到外部干扰、空气阻力、执行器故障等不确定因素影响的问题,提出了一种基于补偿函数观测器(CFO)的递归非奇异终端滑模控制(RNTSMC)方法来提高四旋翼无人机编队系统性能。首先,引入具有高精度估计的补偿函数观测器,实时估计外部干扰、执行器故障等信息,通过设计递归积分终端滑模面改进非奇异终端滑模面等效控制器对估计信息进行补偿控制,并给定滑模面初始值,保证两滑模面依次连续到达平衡点,确保跟踪误差在有限的时间内快速收敛到0。其次,根据长机-僚机法建立编队模型,基于滑模控制理论,设计编队协同控制器,保证无人机编队完成飞行任务。最后,通过对比仿真结果表明,该方法对四旋翼无人机编队具有良好的容错性能。     

多源扰动下光电跟踪系统连续非奇异终端滑模控制

针对多源扰动下的光电跟踪系统,提出一种基于有限时间扰动观测器的连续非奇异终端滑模控制方法.首先,通过扰动观测器在有限时间内估计出集总扰动并用于快速幂次趋近律的设计,利用非奇异快速终端滑模面和等效控制方法,得出连续有限时间控制律.采用Lyapunov稳定性方法进行了严格的有限时间收敛证明.其次,对2–DOF光电跟踪系统进行建模,分析影响控制精度的多源干扰因素,并进行控制律设计.最后,结合实际工作环境进行仿真与实验研究,论证算法的有效性.结果表明,提出的控制方法可使得系统输出即使在多源扰动存在情况下,也可在有限时间内快速收敛到平衡点,提高了光电跟踪系统的抗干扰能力与稳态控制精度.     

基于固定时间扰动观测器的水面无人艇精确编队控制

在水面无人艇(USV)编队控制中,控制效果易受系统初始状态和内外部扰动的影响.为此,研究一类具有复杂干扰下的USV编队控制问题,结合固定时间扰动观测器提出一种领航-跟随编队控制方法.首先,提出一种基于固定时间滑模的跟踪控制(FTSM-TC)策略,在固定时间内保证领航艇快速跟踪期望轨迹;然后,为处理内外部未知干扰设计固定时间扰动观测器(FTDO),从而保证在固定时间内对编队系统中的未建模动态和外部复杂干扰进行精确辨识.所提出的基于FTDO的编队控制(FTDO-FC)策略,使编队控制系统在固定时间内收敛并保持稳定的期望队形,仿真结果表明,所设计控制方法能够有效解决存在复杂未知扰动情况下的USV编队控制问题,且收敛时间与系统初始状态无关.     

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.     

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.     

基于扩张状态观测器的二质量系统非奇异快速终端滑模控制

针对含未知负载信息的二质量伺服系统,提出一种基于有限时间扩张状态观测器的非奇异快速终端滑模控制方法.首先,利用电机侧位置信息设计有限时间扩张状态观测器估计系统的扰动,并将估计值融入到控制器中作为前馈项对系统的未知扰动进行补偿;然后,引入一种新型的滑模趋近律,该趋近律能够避免传统滑模控制中存在的奇异性问题,据此设计非奇异快速终端滑模控制器,保证系统状态在有限时间内收敛到原点,并根据李雅普诺夫稳定性理论分析闭环系统的稳定性;最后,通过仿真和实验验证所提出方法的优越性.结果表明,与传统的PID等控制相比较,所提出的基于扩张状态观测器的有限时间滑模控制方法能够提高系统的跟踪性能,并有效增强二质量伺服系统的抗扰动能力.     

推进器饱和约束的水面无人艇固定时间精准跟踪控制

针对复杂扰动、完全未知系统动态以及推进器饱和约束的水面无人艇高精度跟踪控制问题,提出一种基于固定时间非奇异终端滑模的无模型固定时间精准跟踪控制(MFPTC)方案.首先,设计有限时间集总观测器,精确重构和补偿集总未知项;其次,引入自适应辅助系统消除推进器饱和特性,使得MFPTC方案在饱和约束下实现期望时间内对预定轨迹的精准跟踪;进而,基于反正切函数构造固定时间幂次趋近律,加快滑模变量收敛速度且有效削弱控制抖振;最后,采用CyberShip Ⅱ实验模型进行仿真研究,结果验证所提出MFPTC方案的有效性与优越性.     

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...     

非线性不确定系统的非奇异快速终端滑模控制

针对存在非匹配干扰的非线性系统,设计了一种基于干扰观测器和反步法的非奇异快速终端滑模控制.引入非线性干扰观测器估计系统的不确定性,利用反步的思想处理高阶非线性系统,从而可以将非线性干扰观测器估计的干扰值引入反步法的虚拟控制量中,同时设计一种新颖的非奇异快速终端滑模控制律保证系统的收敛速度和精度.利用Lyapunov函数从理论上证明了所设计的控制器可以保证闭环系统的有限时间收敛.最后通过数值仿真验证了所设计的控制方法的有效性.     

基于扰动观测器补偿的机械臂非奇异快速终端滑模控制

针对机械臂系统在实际应用中存在的建模误差及未知扰动问题, 设计了一种基于扰动观测器的改进型非 奇异快速终端滑模控制策略. 通过扰动观测器准确估计系统存在的总扰动, 并设计恰当的非线性增益函数使扰动观 测误差指数收敛, 实现了对控制器的前馈补偿. 考虑到终端滑模存在的奇异性问题, 结合扰动观测器设计了非奇异 快速终端滑模控制器, 在保证跟踪误差有限时间收敛的同时抑制了滑模控制固有的抖振现象. 同时在控制器设计过 程中, 用fal函数代替sig函数有利于削弱滑模控制抖振, 提高系统稳定性及跟踪精度. 最后, 利用MATLAB软件进行 实验仿真, 验证了所设计控制器的有效性.     

Aero‐Engine DCS Fault‐Tolerant Control with Markov Time Delay Based On Augmented Adaptive Sliding Mode Observer

With a focus on aero‐engine distributed control systems (DCSs) with Markov time delay, unknown input disturbance, and sensor and actuator simultaneous faults, a combined fault tolerant algorithm based on the adaptive sliding mode observer is studied. First, an uncertain augmented model of distributed control system is established under the condition of simultaneous sensor and actuator faults, which also considers the influence of the output disturbances. Second, an augmented adaptive sliding mode observer is designed and the linear matrix inequality (LMI) form stability condition of the combined closed‐loop system is deduced. Third, a robust sliding mode fault tolerant controller is designed based on fault estimation of the sliding mode observer, where the theory of predictive control is adopted to suppress the influence of random time delay on system stability. Simulation results indicate that the proposed sliding mode fault tolerant controller can be very effective despite the existence of faults and output disturbances, and is suitable for the simultaneous sensor and actuator faults condition.     

Adaptive finite‐time attitude stabilization for rigid spacecraft with actuator faults and saturation constraints

The attitude stabilization problem for rigid spacecraft in the presence of inertial uncertainties, external disturbances, actuator saturations, and actuator faults is addressed in this paper. First, a novel fast terminal sliding mode manifold is designed to avoid the singularity problem while providing high control ability. In addition, fast terminal sliding mode control laws are proposed to make the spacecraft system trajectory fast converge onto the fast terminal sliding mode surface and finally evolve into small region in finite time, which cannot be achieved by the previous literatures. Based on the real sliding mode context, a practical adaptive fast terminal sliding mode control law is presented to guarantee attitude stabilization in finite time. Also, simulation results are presented to illustrate the effectiveness of the control strategies. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Finite‐Time Fault‐Tolerant Control for a Class of Non‐Affine Nonlinear System Using Sliding Mode Disturbance Observer

This study investigates a finite‐time fault‐tolerant control scheme for a class of non‐affine nonlinear system with actuator faults and unknown disturbances. A global approximation method is applied to non‐affine nonlinear system to convert it into an affine‐like expression with accuracy. An adaptive terminal sliding mode disturbance observer is proposed to estimate unknown compound disturbances in finite time, including external disturbances and system uncertainties, which enhances system robustness. Controllers based on finite‐time Lyapunov theory are designed to force tracking errors to zero in finite time. Simulation results demonstrate the effectiveness of proposed method.     

Distributed fault‐tolerant control design for spacecraft finite‐time attitude synchronization

This paper develops two distributed finite‐time fault‐tolerant control algorithms for attitude synchronization of multiple spacecraft with a dynamic virtual leader in the presence of modeling uncertainties, external disturbances, and actuator faults. The leader gives commands only to a subset of the followers, and the communication flow between followers is directed. By employing a novel distributed nonsingular fast terminal sliding mode and adaptive mechanism, a distributed finite‐time fault‐tolerant control law is proposed to guarantee all the follower spacecraft that finite‐time track a dynamic virtual leader. Then utilizing three distributed finite‐time sliding mode estimators, an estimator‐based distributed finite‐time fault‐tolerant control law is proposed using only the followers' estimates of the virtual leader. Both of them do not require online identification of the actuator faults and provide robustness, finite‐time convergence, fault‐tolerant, disturbance rejection, and high control precision. Finally, numerical simulations are presented to evaluate the theoretical results. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.