充液航天器的鲁棒固定时间终端滑模容错控制

本文以三轴稳定充液航天器为研究背景,在其进行姿态机动控制过程中充分考虑了外部未知干扰、参数不确定、执行器故障和控制输入饱和等因素的影响,提出了一种固定时间终端滑模控制策略.动力学建模过程中,利用粘性球摆等效力学模型模拟液体燃料小幅晃动,通过拉格朗日方程推导出航天器的耦合动力学模型.姿态控制器设计过程中,首先构造固定时间...     

机械系统的快速有限时间跟踪控制及其在航天器交会中的应用

针对一类具有匹配干扰的二阶机械系统,本文研究了快速有限时间跟踪控制问题.结合有限时间反步法和非奇异快速终端滑模,本文提出了一种新的快速有限时间控制律,并给出了控制器参数所需满足的充分条件以保证系统的快速有限时间稳定性.进一步地,在一定情形下,所设计的快速有限时间控制律能够退化为经典的反步法、有限时间控制律和非奇异快速终端滑模控制律.最终,将所设计的控制律应用于航天器交会系统,数值仿真结果验证了所提方法的有效性.     

飞轮安装偏差的过驱动航天器有限时间姿态控制

针对反作用飞轮安装存在偏差的过驱动航天器姿态跟踪问题, 提出一种有限时间姿态补偿控制策略. 通过设计自适应滑模控制器保证实现对不确定性转动惯量与外部干扰的鲁棒控制, 同时实现对飞轮安装偏差的补偿控制, 并应用Lyapunov 稳定性理论证明了该控制器能够在有限时间内实现姿态跟踪控制. 最后, 将该控制器应用于某型航天器的姿态跟踪控制, 仿真结果验证了所提出方法的有效性.     

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.     

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...     

考虑推力器安装偏差的航天器姿态机动有限时间控制

针对航天器快速姿态机动控制问题,考虑存在参数不确定性、外部干扰、推力器安装偏差以及控制输入饱和受限的多约束条件下,提出了一类自适应终端滑模有限时间控制方法,显式地引入推力器输出的饱和幅值,确保闭环系统在有限时间内快速收敛到滑模面的邻域内;同时,通过引入参数自适应学习律,使得控制器的设计不依赖于参数不确定性、外部干扰以及推力器安装偏差信息;此外,基于Lyapunov稳定性定理对所提出的控制器进行了理论分析.并通过给定某型航天器参数进行了数值仿真,结果表明在考虑多约束情况下,系统具有较快的收敛速度,且具有很好的动态性能,从而验证了所设计方案的有效性、可行性.     

带有不匹配干扰的多智能体系统有限时间积分滑模控制

针对动态多智能体系统协同控制问题，本文研究了带有不匹配干扰的二阶多智能体系统的有限时间包容控制，提出了基于非线性积分滑模控制（Integral sliding-mode control，ISMC）的复合分布式包容控制算法.首先利用Lyapunov稳定性和齐次性定理，分析了未受扰系统的有限时间包容控制问题；然后针对存在不匹配干扰的多智能体动态系统，设计非线性有限时间干扰观测器估算智能体的状态和干扰，提出基于干扰观测器的复合分布式积分滑模控制协议，结合现代控制理论和滑模控制理论，研究了带有不匹配干扰的多智能体系统有限时间包容控制问题.最后数值仿真证明了控制算法的有效性.     

机械系统的快速有限时间跟踪控制及其在航天器交会中的应用（英文）

针对一类具有匹配干扰的二阶机械系统,本文研究了快速有限时间跟踪控制问题.结合有限时间反步法和非奇异快速终端滑模,本文提出了一种新的快速有限时间控制律,并给出了控制器参数所需满足的充分条件以保证系统的快速有限时间稳定性.进一步地,在一定情形下,所设计的快速有限时间控制律能够退化为经典的反步法、有限时间控制律和非奇异快速终端滑模控制律.最终,将所设计的控制律应用于航天器交会系统,数值仿真结果验证了所提方法的有效性.     

一类3阶非线性系统的非奇异终端滑模控制

针对传统非奇异终端滑模控制方法不适用于3阶系统的问题,提出一类具有不确定和外干扰的3阶非线性系统的新型非奇异终端滑模控制方法.该方案首先结合backstepping控制中的动态面方法和传统2阶非奇异终端滑模控制构造非奇异3阶终端滑模面,首次提出采用高阶滑模微分器估计值代替控制器中的负指数项.采用非线性干扰观测器任意精度地估计不确定和干扰,设计控制器中的补偿项.采用终端吸引子函数做趋近律避免抖振的同时能保证有限时间趋近滑模面.基于有限时间稳定李雅普诺夫定理证明了被控状态将在有限时间内收敛到任意小的闭球内.所提出方案快于传统的递阶线性滑模控制和其他非奇异终端滑模控制.仿真中与其他滑模控制方案对比,总误差减小18%以上,超调及收敛时间也显著下降.     

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.     

Observer-based continuous finite-time attitude control for rigid–flexible coupling satellites

In this paper, a novel finite-time attitude control law is proposed for rigid–flexible coupling satellites in large angle manoeuver. First, the rigid–flexible coupling dynamic model is set up to reflect the coupling effect between the deformation of flexible appendages and the spatial movement of the rigid hub. Then an extended state observer (ESO) is designed to estimate and compensate the total perturbation including high-order flexible coupling terms, external disturbances and uncertain inertia. Following this, a continuous finite-time attitude controller is designed based on non-singular fast terminal sliding mode (NFTSM) and fast power reaching law, which is introduced to smooth the control input and eliminate the chattering. Numerical simulation is designed to verify the finite-time stability, high accuracy, disturbance rejectionand vibration damping of the proposed control scheme and then a ground experimental system is set to further test the controller's practicability.     

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.     

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.     

Velocity-free adaptive nonsingular fast terminal sliding mode finite-time attitude tracking control for spacecraft

Aiming at the attitude tracking control problem of rigid spacecraft under the condition of unmeasurable angular velocity information, a velocity-free adaptive nonsingular fast terminal sliding mode finite-time tracking control method is proposed. The finite-time extended-state observer is used to estimate the attitude tracking speed errors and the integrated disturbances. Combined with the above control method, a fast nonsingular terminal sliding mode controller with attitude measurement is designed and the adaptive technology is introduced to compensate for the influence of observation errors on the controller. The finite-time convergence of the observer and the control method was demonstrated based on Lyapunov theory, and the effectiveness of the proposed method is verified by numerical simulations.     

基于ESO的永磁同步电机伺服系统快速终端滑模控制

为了优化永磁同步电机(PMSM)伺服系统的控制性能, 本文提出了一种基于非奇异快速终端滑模控制(NFTSMC)和扩张状态观测器(ESO)的复合控制策略. 论文首先建立了考虑集总扰动的永磁同步电机数学模型, 根据所定义的非奇异终端滑模面和趋近律, 设计了位置跟踪控制器, 所设计的控制器采用非级联结构替代了传统的位置环和速度环控制器, 并通过李亚普诺夫定理证明了稳定性和有限时间内收敛. 为了进一步提高系统的抗扰动性能, 本文引入了扩张状态观测器来估计系统扰动并将其应用于前馈补偿. 然后, 文章对系统整体进行了稳定性证明. 最后,文章完成了基于所设计控制器的仿真和实验验证. 结果表明, 该控制器具有良好的位置跟踪性能且收敛速度快, 对外部干扰具有强鲁棒性.     

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.     

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.     

基于非线性干扰观测器的飞机全电刹车系统滑模控制设计

飞机防滑刹车具有典型的强非线性、强耦合和参数时变等特点, 并且跑道环境的干扰容易对飞机的地面滑跑性能造成不利影响. 本文提出了一种基于非线性干扰观测器的飞机全电防滑刹车系统滑模控制设计方法. 首先, 考虑了实际刹车不确定性干扰条件下的防滑刹车动力学建模问题, 通过对高阶非线性刹车系统进行反馈线性化处理, 简化了基于严格反馈的模型. 其次, 基于对主轮打滑原因的深入分析, 设计了非线性干扰观测器对干扰进行在线估计, 并在控制律设计中引入补偿部分. 通过构造递归结构的快速终端滑模控制器来跟踪实时变化的最佳滑移率并建立稳定性条件, 实现了飞机全电防滑刹车系统的有限时间快速稳定并有效抑制了主轮锁定打滑. 通过在不同跑道状态下进行模拟仿真, 验证了本文提出的飞机防滑刹车控制策略可以有效地提高刹车效率.     

磁悬浮开关磁阻电机的自适应终端滑模控制

为解决磁悬浮开关磁阻电机受到外部环境未知干扰、内部参数摄动等不确定因素带来的影响,提出一种基于自适应终端滑模控制器的直接瞬时转矩及直接悬浮力控制策略.首先,对电机的数学模型进行分析并建立状态方程,采用直接瞬时转矩控制与直接悬浮力控制方法,以减小系统脉动;其次,设计非奇异终端滑模面,避免常规终端滑模控制中的奇异问题,并引入自适应律,结合终端滑模控制器以抑制不确定因素的干扰,保证系统的快速收敛、强鲁棒性;最后,与传统滑模控制器方法进行对比,验证该方法的有效性.仿真结果表明,所提出方法能迅速精准跟踪控制系统的转速及位移,有效提升状态收敛速度,抗扰能力强,具有良好的动态性能.