基于自适应神经网络滑模观测器的容错控制

针对机电伺服系统可能发生的故障,提出基于自适应神经网络滑模观测器的快速终端滑模容错控制策略.在自适应滑模观测器中引入神经网络估计故障,以提高故障发生时观测器的状态估计精度和故障检测准确性.利用观测器的状态估计值进行状态重构,结合参数自适应技术和快速终端滑模控制方法设计主动容错控制器.针对参数不确定性设计参数自适应率进行估计,并利用前馈补偿技术补偿故障和参数不确定性.针对未知上界的扰动设计具有自适应增益的鲁棒项.利用Lyapunov定理证明所提出的控制方法可以实现系统有界稳定,大量仿真和实验结果验证了控制器在系统发生故障时具有良好的容错能力、控制精度和响应速度.     

小卫星执行机构故障鲁棒容错姿态跟踪控制

针对小卫星在轨运行中存在干扰力矩与执行器故障姿态跟踪控制问题,提出一种反步自适应滑模变结构鲁棒容错控制方法.将反步控制和滑模变结构控制相结合,利用自适应算法估计执行器故障失效因子最小值、偏差型故障最大值和干扰值,在不进行故障检测和分离情况下,实现系统的容错控制和干扰抑制.基于Lyapunov方法从理论上证明系统的稳定性.将该方法用于小卫星的状态跟踪控制,仿真结果表明,控制器对部分失效和偏差型故障具有较强的容错能力和鲁棒性.     

执行器故障下飞行机械臂的主动容错控制

本文提出了一种基于非奇异终端滑模和扩展状态观测器的飞行机械臂主动容错控制方法.首先,采用反演技术作为闭环控制框架,保证系统的全局稳定性.其次,采用自适应非奇异终端滑模作为执行器故障下的鲁棒控制器.然后,利用扩展状态观测器对复杂的耦合效应和外部干扰进行估计和补偿.李雅普诺夫稳定性理论可以保证具有执行器故障和外部干扰的飞行...     

基于故障在线估计的可重构机械臂分散容错控制

为了降低可重构机械臂模块关节执行器和传感器故障对其控制性能的影响,提出了一种基于故障在线估计的分散容错控制方法。基于可重构机械臂的模块化属性和Lyapunov稳定性理论,设计了分散自适应滑模观测器以实现执行器和传感器故障的在线自适应估计。同时采用神经网络对子系统非线性项进行逼近和补偿,并结合非奇异快速Terminal滑模思想实现了分散容错控制。最后,采用两种不同构形的三自由度可重构机械臂进行了仿真试验,结果表明,所设计的容错控制方法是有效的。     

考虑传感器故障的柔性航天器自适应积分滑模主动容错控制

针对考虑传感器故障的柔性航天器姿态系统,提出了一种主动容错控制方法.首先,通过对测量输出进行滤波,将传感器故障转化为执行器故障形式;接着,设计一个基于未知输入观测器的自适应故障估计观测器,对未知故障进行辨识,同时,采用了一个故障检测观测器,对故障的发生进行检测;然后,利用故障估计信号对系统输出进行调节,结合自适应积分滑模和线性矩阵不等式技术设计输出反馈容错控制器;最后,对所设计的主动容错控制方法进行仿真,验证了所提方法的有效性.     

一种故障干扰解耦的航天器主动容错控制方法

为提高航天器系统的可靠性,研究一种干扰影响下的航天器主动容错控制技术.首先,为实现干扰下的故障诊断,减小航天器系统故障检测到故障估计之间的时间延迟,通过将故障扩展为系统状态量,设计未知输入观测器,进行航天器故障检测及估计单元一体化设计.其次,考虑到此方法无法实现对干扰的估计,且仅能解决可导的故障类型,进一步设计新型的自适应滑模未知输入观测器,能够保证对干扰及故障的同时解耦估计,也可以解决更广泛的故障类型.最后,考虑观测器观测过程中的估计误差,设计了多变量终端滑模容错控制器,提高了控制性能.仿真结果表明:所设计的主动容错控制策略能够实现干扰影响下的故障诊断,可以保证航天器控制性能的快速恢复.     

面向机动的临近空间飞行器自适应协调控制

为提高临近空间飞行器的机动性能,提出一种结合推力矢量的新型自适应滑模控制方法,并搭建闭环最优控制分配系统,实现气动舵面与矢量喷管最优分配,保证飞行器稳定机动飞行。首先为应对机动飞行环境中复杂不确定,设计新型自适应滑模控制器,放宽了现有自适应滑模控制不确定有界性限制,获得确保姿态角稳定跟踪的期望控制力矩。引入推力矢量技术的临近空间飞行器存在多种控制输入,控制分配是机动飞行控制的关键。其次为确保机动飞行稳定安全,从稳定性角度提升分配性能,设计闭环最优控制分配策略,将期望控制力矩精确稳定地分配到执行器,完成气动舵面和矢量喷管协调控制,实现机动飞行中姿态角对参考指令的稳定跟踪。仿真结果表明：推力矢量技术对于扩大临近空间飞行器横纵方向姿态角变化范围具有有效性,同时验证了所设计控制策略能够在复杂不确定影响下保证飞行姿态稳定。     

飞翼布局矢量推力无人机容错控制研究

飞翼布局无人机利用多组气动舵面产生所需要的控制力和力矩,属于典型的过驱动系统;多组操纵舵面赋予其较高冗余配置的同时也使舵面故障率成倍增加。对横航向静不稳定的飞翼无人机而言,操纵面故障带来的力矩失衡会严重影响飞行安全,故以升降、方向舵损伤故障为例,提出一种气动为主,矢量推力为辅的控制分配方法;利用二元矢量偏转机构产生矢量推力,补偿损伤执行机构舵效,释放舵面控制裕度,恢复飞机操纵性;在气动舵面损伤的故障下,实现无人机的稳定控制。     

基于滑模观测器的异步电动机速度传感器故障诊断及容错控制

针对异步电动机矢量控制系统中速度传感器故障问题,提出基于滑模观测器的故障诊断及容错控制方法。通过坐标变换的方法建立异步电动机的状态空间模型,从而构造滑模观测器,并使用李雅普诺夫稳定性理论求解稳定性条件并给出转速自适应律;设计矢量控制系统的转速切换策略,当残差信号大于给定阈值时使系统切换到无速度传感器矢量控制方式,保持异步电动机稳定运行。仿真结果表明该方法可以在0.2 s内实现故障检测,并使系统稳定运行,体现出该方法的快速性和有效性。     

基于terminal滑模与控制分配的飞翼布局无人机姿态控制

对于风场扰动中的飞翼布局无人机,需要考虑模型参数不确定和外界干扰对姿态控制的影响,以及解决操纵面冗余、附加力效应显著、多轴操纵耦合、舵效非线性等特殊问题。采用基于扩张状态观测器的terminal滑模和多目标非线性控制分配对姿态角的跟踪控制问题进行了研究,将扩张状态观测器与基于饱和函数的terminal滑模控制器相结合,在名义滑模控制律的基础上采用扩张状态观测器实现对干扰的估计和补偿,有效提高了系统的鲁棒性和控制精度,并且充分利用冗余操纵面,根据飞行任务需求,实现对多种目标综合权衡的非线性控制分配。     

临近空间飞行器的自适应积分滑模容错控制

为提高临近空间飞行器的安全性和可靠性,针对飞行器中未知的执行器故障,提出了一种自适应积分滑模容错控制方法。设计积分滑模面,使滑动模态运动起始于系统的初始状态,进一步增强系统的鲁棒性。构造自适应滑模容错控制律,处理执行器故障的影响。在自适应律中定义一个非线性函数,利用积分滑模面的动态变化检测故障的发生,并激发自适应律实现控制增益的自动调整。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的渐近稳定性。仿真验证在临近空间飞行器的纵向动力学模型上进行,结果表明该方法具有期望的容错跟踪性能。     

可重复使用运载器预测制导与鲁棒容错控制

为实现可重复使用运载器(Reusable launch vehicle, RLV)的再入段准确制导与鲁棒容错控制,提出了一种基于改进预测校正制导律和鲁棒容错姿态控制联合的方法.首先,设计改进倾侧角幅值模型和航迹方位角走廊的预测校正制导律,结合标称迎角剖面,在线计算得出姿态系统的输入指令;然后,针对控制系统的不确定/干扰及舵面部分失效问题,提出一种改进跟踪微分干扰观测器来估计不确定/干扰和舵面失效作用,通过在观测器中增加前馈项进一步提高了复合干扰的估计精度;最后,针对舵面饱和问题设计辅助抗饱和系统,并应用sigmoid饱和函数来改善姿态系统中角速率回路反步法的控制性能.制导与控制系统的六自由度联合仿真实验表明,在考虑姿态回路复合干扰、舵面部分失效及饱和的情况下,RLV准确跟踪了姿态角指令,其飞行轨迹能够到达再入终端落点区域并满足约束条件,因此提出的方法实现了再入段准确制导,较好解决了姿态回路不确定、舵面部分失效及饱和问题,具备良好的鲁棒容错控制性能.     

多航天器系统的编队包含鲁棒协同控制

研究了多航天器系统在执行器和传感器故障作用下的编队包含协同控制问题。首先,对航天器的轨道动力学系统进行建模,并进行线性化处理;其次,设计自适应广义观测器,以获得系统状态以及执行器和传感器故障的估计值;再次,通过调整非奇异矩阵,提高观测器性能,使观测器误差收敛到原点附近;从次,基于估计的系统状态和执行器故障,设计了编队包含控制器,并利用Lyapunov理论分析得到编队误差和观测器误差收敛的充分条件;最后,通过仿真实例验证了所设计算法的系统性能。     

不确定性负载的异步电机新型自适应反步控制

针对异步电动机速度控制系统中的不确定性负载问题,本文设计了新型自适应反步控制器,实现异步电动机高性能转速跟踪控制。通过选择合理的Lyapunov函数及稳定函数,给出自适应反步控制算法,分析了整个控制系统的稳定性。在递归设计中首次出现不确定性负载时,设计了负载的自适应律,得到新型自适应负载转矩观测器,精确估计了不确定性负载转矩。仿真结果表明,本文设计的新型自适应负载转矩观测器,实现了不确定性负载的在线精确估计。与矢量控制方法相比,该控制策略的转速响应更加迅速,快速消除了负载扰动对转速的影响,具有良好的应用前景。     

全局信息未知的多智能体自适应容错包容控制（英文）

研究一类带有执行器故障并且全局信息未知的多领航者多智能体系统包容控制问题,其中执行器故障包括失效、卡死和中断。针对未知的全局信息问题,即Laplacian矩阵的最小特征值未知,通过自适应技术在线估计了控制器的耦合增益,进而设计鲁棒容错控制器实现跟随者的状态跟踪误差在不确定性、扰动、非线性动态和故障同时存在的情况下的稳定性,并给出一个仿真算例来验证所提出的方法的有效性。最终保证了跟随者的状态跟踪误差的渐近稳定性,即所有的跟随者状态轨迹能够跟踪到多个领航者所形成的凸包区域内。     

全局信息未知的多智能体自适应容错包容控制

研究一类带有执行器故障并且全局信息未知的多领航者多智能体系统包容控制问题,其中执行器故障包括失效、卡死和中断。针对未知的全局信息问题,即Laplacian矩阵的最小特征值未知,通过自适应技术在线估计了控制器的耦合增益,进而设计鲁棒容错控制器实现跟随者的状态跟踪误差在不确定性、扰动、非线性动态和故障同时存在的情况下的稳定性,并给出一个仿真算例来验证所提出的方法的有效性。最终保证了跟随者的状态跟踪误差的渐近稳定性,即所有的跟随者状态轨迹能够跟踪到多个领航者所形成的凸包区域内。     

感应电动机全局高阶滑模观测器

提出了一种基于高阶滑模的感应电动机全局滑模观测器,用于实现电机转速及转子磁链的高精度辨识。通过设计全局滑模面,实现了观测器在整个控制过程中均处于滑动模态,提高了观测器的鲁棒性。设计的高阶滑模控制律可以得到平滑的等效控制信号,实现了直接将滑模控制信号用于系统状态观测,提高了观测精度。仿真和试验结果表明:所设计的滑模观测器有效地抑制了抖振现象,具有良好的观测精度,并且对外部负载扰动及内部参数摄动具有较强的鲁棒性。     

基于自适应动态控制的无人车轨迹跟踪控制器设计

针对无人车系统存在干扰和故障影响的问题,文中设计一种基于滑模观测器的自适应轨迹跟踪控制方法。考虑无人车在运行过程中存在系统参数摄动和执行器传动机构加性故障的情况,同时结合系统非线性结构特性,设计自适应滑模观测器估计故障信号,并在此基础上设计自适应控制律对系统时变参数进行在线估计,保证闭环系统稳定且满足给定路径跟踪性能要求。仿真结果表明,在系统时变参数和执行器加性故障影响下,应用文中设计的控制方法可以取得期望的轨迹跟踪性能且鲁棒性较好。     

可规定性能的输入受限非线性系统反步控制

针对具有不可直接测量状态和控制方向未知的输入受限非线性系统的跟踪问题,提出一种基于模糊状态观测器的反步控制方法.首先采用模糊状态观测器估计被控系统中的不可测量状态;然后利用具有光滑特性的双曲正切函数和Nussbaum增益函数对控制器的饱和问题进行处理,根据可规定误差面性能技术对输出跟踪误差的边界进行限定;最后将反步法和动态面法相结合设计鲁棒控制器.运用Lyapunov理论对系统的稳定性能进行了分析,证明闭环系统的所有信号最终半全局一致有界.以具有参数不确定性和存在外界未知有界干扰的高超声速飞行器纵向运动为仿真模型,仿真结果验证了所提算法的有效性.     

基于迭代学习的柔性关节机械臂鲁棒输出跟踪

针对柔性关节机械臂的输出反馈跟踪控制问题,提出了基于迭代学习观测器(iterative learning observer,ILO)的鲁棒控制策略。本文对柔性关节机械臂进行数学建模,分析了系统不可测状态和模型不确定性对跟踪控制精度带来的影响。设计了ILO对系统的内部状态和由模型不确定性引起的复合扰动进行在线估计,设计滤波反步控制器完成对输入指令的跟踪。利用Lyapunov稳定性理论分析了闭环控制系统的全局稳定性。仿真结果表明,提出的方法能够有效实现柔性关节机械臂的输出反馈跟踪控制,获得较高的跟踪精度,且对于模型不确定性具有较强的鲁棒性。