考虑电磁铁故障的磁浮列车单悬浮模块的容错控制

本文针对参数具有不确定性的磁浮列车单模块悬浮系统,利用线性矩阵不等式(LMI)方法,设计了对执行器失效具有完整性的容错控制器.同时考虑到工程实际的需要,引入权重概念对控制律进行修改,并利用数值方法对新控制律作用下闭环系统的稳定性进行验证.对不同执行器故障模式下悬浮间隙的变化进行了仿真分析,结果表明该方法对闭环系统的参数不确定性具有鲁棒性,对部分执行器失效具有容错能力.     

弹道坐标中三维鲁棒非线性导引律

本文针对机动目标拦截问题,考虑导弹控制系统动态特性及其不确定性,利用分块反步设计思想,结合输入-状态稳定性理论,在弹道坐标系中设计了一种三维非线性鲁棒导引律.与大多数已有的导引律相比,本文直接地在弹道坐标系中设计导引律,并且所设计的导引律可有效克服控制系统动态特性和不确定性对制导效果的影响,理论分析和数值仿真表明,本文设计的导引律对目标机动和控制系统所受的外来有界扰动均具有较强的鲁棒性.     

执行器故障不确定非线性系统最优自适应输出跟踪控制

本文针对一类具有执行器故障的多输入多输出（Multi-input multi-output,MIMO）不确定连续仿射非线性系统,提出了一种最优自适应输出跟踪控制方案.设计了保证系统稳定性的不确定项估计神经网络权值调整算法,仅采用评价网络即可同时获得无限时域代价函数和满足哈密顿-雅可比-贝尔曼（Hamilton-Jacobi-Bellman,HJB）方程的最优控制输入.考虑执行器卡死和部分失效故障,设计最优自适应补偿控制律,所设计的控制律可以实现对参考输出的一致最终有界跟踪.飞行器控制仿真和对比验证表明了本文方法的有效性和优越性.     

双电机同步驱动伺服系统故障诊断与容错控制

本文针对双电机同步驱动伺服系统中执行器失效会导致系统性能下降甚至失稳的情况,提出了一种基于自适应滑模的故障诊断和容错控制策略.该方法通过设计各电机转速的自适应滑模状态观测器,在线估计各执行器的失效因子:当单个执行器部分失效时,通过自适应的方法调整控制器增益;当单个执行器全部失效时,重构系统的控制律.对于系统中存在非匹配不确定项的情况,提出在期望虚拟信号中引入基于扩张状态观测器的补偿项抑制方案;利用Lyapunov理论证明了闭环系统在正常和故障状况下的稳定性以及观测器的收敛性;仿真结果表明,所设计的控制策略能保证系统稳定跟踪指令信号,在单个执行器失效的情况下系统跟踪性能基本不下降.     

欠驱动水下航行器三维直线航迹跟踪控制

针对欠驱动水下航行器的三维直线航迹跟踪控制问题,基于虚拟向导建立了三维航迹跟踪误差模型,采用反馈增益反步法设计航迹跟踪控制器,通过合理选择控制器参数消除了部分非线性项,与传统反步法设计相比简化了虚拟控制量的形式,并且能够避免基于视线法设计导引律时存在固有奇异值点的问题.基于李雅普诺夫稳定性理论分析了闭环跟踪误差系统的渐近稳定性.最后将设计的控制器应用于欠驱动水下航行器进行仿真实验,结果表明控制器具有精确的三维航迹的跟踪能力,并对外界干扰和模型参数不确定性具有较好的鲁棒性.     

基于MMST分组的一类MIMO非线性系统执行器故障自适应补偿控制

在多输入多输出(Multiple-input multiple-output,MIMO)非线性系统的执行器故障容错控制问题中,控制器能够处理的执行器故障集合的大小与执行器分组方法有很大关系.为扩大系统可处理的执行器故障集合,本文针对一类具有执行器故障的MIMO非线性最小相位系统,提出基于多模型切换(Multiple model switching and tuning,MMST)执行器分组的自适应补偿控制方法.考虑系统的执行器卡死、部分失效和完全失效故障,在微分几何反馈线性化的基础上,研究基于多模型切换的执行器分组切换指标和切换策略,设计了基于反演控制的自适应补偿跟踪控制律,所设计的控制律能保证系统在执行器故障时闭环稳定,渐近跟踪给定的参考信号,且提出的分组方法扩大了可补偿的执行器故障集合.仿真结果表明了本文设计方法的有效性.     

四旋翼无人机姿态系统的非线性容错控制设计

本文研究了四旋翼无人机执行器发生部分失效时的姿态控制问题.通过分析其动力学特性,将执行器故障以乘性因子加入系统模型,得到执行器故障情况下四旋翼无人机的姿态动力学模型.在同时存在未知外部扰动和执行器故障的情况下,设计了一种基于自适应滑模控制的容错控制器.利用基于Lyapunov的分析方法证明了所设计控制器的渐近稳定性.在四旋翼无人机实验平台上进行了实验,验证了该算法对存在未知外部扰动和执行器部分失效时四旋翼无人机的姿态控制具有较好的鲁棒性.     

无人机三维航路自适应跟踪控制

针对无人机自动驾驶仪参数标称值偏离实际值情况下的航迹跟踪问题,提出一种无人机三维航路自适应跟踪导引律。首先在无人机自动驾驶仪参数无偏离的条件下,推导出能够跟踪三维航路的速度指令、航迹倾斜角指令和航迹方位角指令,并使用Lyapunov稳定性理论证明了跟踪系统全局渐进稳定;之后考虑自动驾驶仪参数标称值偏离实际值的情况,设计自适应算法在线估计自动驾驶仪参数,得到无人机三维航路自适应跟踪导引律。仿真实验表明所提出的自适应跟踪导引律能够使无人机在自动驾驶仪参数偏离条件下有效跟踪三维航迹。     

未知仿射非线性系统的执行器容错控制设计

针对一类多输入单输出未知仿射非线性系统研究了在执行器发生故障情况下的容错控制问题,基于反步设计和自适应模糊逼近理论给出了控制方案使闭环系统能够同时容忍执行器的卡死和失效故障。在每一步设计中采用一个模糊逼近器来逼近未知函数,其中包括系统函数和由故障引起的未知动态。然后基于Lyapunov稳定性理论设计自适应律在线调节逼近器的参数,使其可以自动补偿故障对系统的影响。最终得到的控制器能够在执行器发生卡死和失效故障的情况下利用未卡死执行器的有效部分保证闭环系统是稳定的,并且输出能够以指定的精度跟踪给定参考信号。仿真算例证实了该方法的可行性和有效性。     

无人机非确定性等价自适应容错飞行控制

针对存在执行器复合故障的固定翼无人机跟踪控制问题,本文提出一种基于非确定性等价原理的自适应容错飞行控制策略.该策略能够有效地估计无人机纵向动态中执行器的失效及漂移故障,保证故障发生后闭环系统的最优性能指标.在自适应容错飞行控制设计中,通过引入辅助系统并动态调节因子,构造非确定性等价原理中偏微分方程的近似解,以简化自适应律设计复杂度.此外,借助Lyapunov稳定性分析方法,证明了在所设计的自适应容错控制器作用下闭环系统的稳定性.最后,仿真验证表明所设计的控制方法能够保证故障无人机的闭环系统性能.     

一类广义不确定时滞系统的鲁棒容错控制

为了保证系统的稳定性和解决系统执行器失效的问题,针对一类线性广义时滞不确定系统,研究了在有记忆状态反馈作用下和执行器失效情况下的鲁棒容错控制问题。在采用具有更广泛意义的执行器故障模型下,给出了线性不确定时滞广义系统对执行器故障保持渐近稳定并且满足给定干扰衰减指标的鲁棒控制器的存在条件和设计方法。仿真结果验证了该方法的可行性和正确性。     

Robust adaptive actuator failure compensation for a class of uncertain nonlinear systems

This paper presents a robust adaptive state feedback control scheme for a class of parametric-strict-feedback nonlinear systems in the presence of time varying actuator failures. The designed adaptive controller compensates a general class of actuator failures without any need for explicit fault detection. The parameters, times, and patterns of the considered failures are completely unknown. The proposed controller is constructed based on a backstepping design method. The global boundedness of all the closed-loop signals is guaranteed and the tracking error is proved to converge to a small neighborhood of the origin. The proposed approach is employed for a two-axis positioning stage system as well as an aircraft wing system. The simulation results show the correctness and effectiveness of the proposed robust adaptive actuator failure compensation approach.     

Adaptive output-feedback control for a class of nonlinear systems with actuator failures and input quantisation

In this paper, an adaptive output feedback control technique is proposed for a class of nonlinear systems with unknown parameters, unknown nonlinear functions, quantised input and possible actuator failures up to infinity. A modified backstepping approach is proposed by the use of high-gain K-filters, hyperbolic tangent function property and bound-estimation approach to compensate for the effect of possible number of actuator failures up to infinity, input quantisation and unknown nonlinear functions. It is proved both mathematically and by simulation that with the proposed controller, all the signals of the closed-loop system are globally bounded despite of input quantisation, unknown nonlinear functions and possible number of actuator failures up to infinity.     

带有执行器故障的非线性系统的H_∞容错控制

为了解决复杂非线性系统执行器故障问题,提高系统的安全性和可靠性,本文针对一类带有执行器故障的非线性系统,提出了一种H∞容错控制方法。在假设非线性项满足李普希茨条件的前提下,利用线性矩阵不等式方法,给出了有干扰和无干扰时控制器存在的充分条件。该条件不仅保证了系统在执行器故障和正常情况下均能达到渐近稳定,而且能满足一定的性能指标,对干扰具有很好的抑制作用。最后将该方法应用到了水下机器人航向控制系统中,仿真效果较好,说明所给方法是有效性。     

Switching strategy in tracking constant references for linear time-varying delay systems with actuator failures

Tracking of command constant references is a tracking control problem of fundamental importance. This problem for linear time-varying delay systems in the presence of actuator failures is solved in this article. The linear time-varying delay system with actuator failures is modelled as a switched linear time-varying delay system by utilising switching systems theory and a suitable control scheme. The polytopic technique is employed in order to cope with the time-varying, delay-derivative term in case its absolute value might exceed one. On the grounds of the average dwell-time approach, a switching tracking control law that is immune to actuator failures is designed and the conditions are derived such that the output of the linear time-varying delay system tracks given constant command references. Two illustrative examples along with the respective numerical and simulation results are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed method.     

不确定时滞线性系统的鲁棒容错控制研究

研究了线性时滞不确定系统的一类鲁棒容错控制问题.基于Lyapunov方法,证明了当一类不确定系统采用一种带时滞的状态反馈控制律时,该系统对于传感器和执行器故障具有完整性.仿真实例说明了该方法的有效性.     

抵御执行器故障的H∞静态输出反馈可靠控制

针对线性系统,考虑连续增益故障模型,研究了具有执行器故障的H∞静态输出反馈可靠控制问题。首先,在执行器无故障的前提下,给出H∞性能指标存在的充分条件,进而得出系统的静态输出反馈控制率。然后,基于执行器故障,重新设计静态输出反馈控制器,利用求解线性矩阵不等式的方法,完成静态输出反馈可靠控制器的设计。由此可靠控制器构成的闭环系统,使得当执行器发生故障时,也可使闭环系统的保持渐近稳定。最后的数值仿真验证了本文结果的有效性和可行性。     

含时滞记忆的非线性时滞系统满意容错控制

针对一类基于T-S模糊模型描述的非线性时滞系统,研究在一般执行器故障模式下的含时滞记忆的鲁棒H∞容错控制器设计问题.针对任意连续型执行器故障模式,采用并行分布式补偿原理设计含记忆型状态反馈控制器,给出非线性时滞系统在执行器发生故障情况下的鲁棒镇定准则.然后给出H∞性能指标约束下的满意容错控制器的设计方法和设计步骤.提出的含时滞记忆的状态反馈控制方法可以确保当执行器发生故障时,闭环系统不仅具有渐近稳定性,而且有一定的抗扰动性能,状态反馈控制器设计的保守性较不含时滞记忆控制器设计方法大大降低.仿真实例验证了鲁棒容错控制策略的有效性.     

基于时滞状态反馈的D稳定容错控制

容错控制是使设计的控制系统能对可能发生的故障具有一定的容错能力，该问题直接关系到控制系统运行的可靠性和安全性。该文基于Lyapunov稳定性理论和Riccati方程，针对线性离散一步时滞系统，引入一步时滞状态反馈，研究了传感器失效后有一定性能保证的D稳定容错控制问题，在给出对传感器失效具有完整性的D稳定容错控制系统需满足的一个充分条件的基础上，进而给出控制器的设计方法和步骤，并推广至执行器失效情况，仿真实验验证了该方法的有效性，与引入状态反馈控制律相比，此方法有更好的动态平稳性。