基于固定时间扰动观测器的四旋翼无人机轨迹跟踪控制

针对六自由度小型四旋翼无人机在轨迹跟踪控制过程中,单一控制器构成的控制系统存在外部未知干扰,系统的鲁棒性以及轨迹跟踪精度容易产生较大的波动问题,该文章提出了一种基于固定时间扰动观测器的全闭环控制方案,即针对位置与姿态的双闭环控制;首先利用固定时间理论设计了两个扰动观测器,在固定时间内对扰动做出估计并进行补偿;在此观测器对扰动值的精确估计基础之上,设计了两个具有扰动补偿能力的非线性跟踪控制器;李雅普诺夫稳定性理论证明了所述方法的有效性;仿真实验中,为对比所述控制方法的有效性,同时采用传统单一控制器构成的无人机控制系统进行对比分析;在无人机质量为m=1.44 kg、环境重力加速度为g=9.8 m/s2以及其他模型参数一致的前提下,进行大量的仿真实验验证了所提出的基于固定时间扰动观测器的扰动补偿控制系统,能够保证小型四旋翼无人机六自由度受到复杂外部干扰时准确估计出外部干扰值,并实现无人机进行高精度轨迹跟踪控制,且轨迹跟踪精度与抗扰性能皆优于传统单一控制器构成的无人机控制系统.     

基于扩张状态观测器的四旋翼无人机快速非奇异终端滑模轨迹跟踪控制

针对受多源干扰影响的四旋翼无人机系统的轨迹跟踪控制问题进行研究,充分考虑位置回路和姿态回路动态特性,提出一种全回路复合快速非奇异终端滑模轨迹跟踪控制方案.首先,通过变换将轨迹跟踪问题转化为位置回路和姿态回路的指令跟踪控制问题;然后,将各通道之间的耦合以及多源干扰影响视作集总干扰,并基于扩张状态观测器对其进行估计;接着,基于干扰估计信息和快速非奇异终端滑模控制算法,分别在位置回路和姿态回路构造复合快速非奇异终端滑模控制器;最后,基于位置回路和姿态回路虚拟控制量解得无人机真实控制量旋翼转速.仿真结果表明,所提出控制方案显著提升了四旋翼无人机轨迹跟踪的响应速度和抗干扰性能.     

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。     

基于动态控制分配的卫星姿态控制系统容错控制

针对卫星姿态控制系统执行机构故障情况下的姿态跟踪问题,研究了一种基于动态控制分配的容错控制方法。首先,考虑由卫星转动惯量不确定性与外界干扰组成复合干扰,设计了基于干扰观测器的反步姿态跟踪控制器,利用干扰观测器对复合干扰进行估计,并且采用李雅普诺夫方法分析了闭环系统的稳定性;其次,针对发生乘性执行机构故障的卫星姿态控制系统,设计了基于动态控制分配的容错控制方法,该方法无需对控制律进行调整,而是利用故障信息调整目标函数,通过动态控制分配方法实现容错控制。仿真结果表明,该方法能够在执行机构发生故障情况下有效完成姿态跟踪。     

基于动态控制分配的卫星姿态控制系统容错控制北大核心CSCD

针对卫星姿态控制系统执行机构故障情况下的姿态跟踪问题,研究了一种基于动态控制分配的容错控制方法。首先,考虑由卫星转动惯量不确定性与外界干扰组成复合干扰,设计了基于干扰观测器的反步姿态跟踪控制器,利用干扰观测器对复合干扰进行估计,并且采用李雅普诺夫方法分析了闭环系统的稳定性;其次,针对发生乘性执行机构故障的卫星姿态控制系统,设计了基于动态控制分配的容错控制方法,该方法无需对控制律进行调整,而是利用故障信息调整目标函数,通过动态控制分配方法实现容错控制。仿真结果表明,该方法能够在执行机构发生故障情况下有效完成姿态跟踪。     

具有执行器故障的四旋翼无人机有限时间容错控制

本文主要研究了四旋翼无人机在外部干扰、执行器存在部分失效和偏置故障并发情况下有限时间轨迹跟踪的控制问题. 通过分析四旋翼无人机动力学特性, 构建了带有外部干扰、执行器机构故障的动力学模型. 基于鲁棒全局快速终端滑模控制算法, 设计了一种有限时间容错控制器, 提高了系统对故障的响应速度. 其次, 针对常值/时变故障和干扰,在控制器设计中采用改进的连续函数进行补偿, 减少了由切换函数引起的系统抖振, 并基于Lyapunov函数对控制器的稳定性进行了分析. 最后, 通过仿真实验验证了所设计控制器的有效性和可靠性, 同时存在执行器故障和外部干扰的情况下, 无人机能够实现较好的轨迹跟踪性能.     

输出误差约束下四旋翼无人机预定性能反步控制

针对外界干扰和输出误差约束条件下的四旋翼无人机的跟踪控制问题,提出预定性能反步跟踪控制策略.首先,将四旋翼无人机动力学模型转换为带有外界干扰的严反馈形式;然后,利用反步法设计控制器,通过引入障碍Lyapunov函数保证跟踪误差的预定性能,设计干扰观测器对外界干扰进行估计,并通过滤波器估计姿态子系统中部分虚拟控制输入的导...     

基于故障程度的四旋翼无人机容错控制

针对四旋翼无人机执行机构部分失效故障,采用一组线性二次最优控制器,并且设计了可变因子二阶卡尔曼滤波器在线快速估计状态和检测故障。当故障被检测和诊断出来时,通过可变因子二阶卡尔曼滤波器调节,同时切换到相应的线性二次最优控制器使故障影响变小。最后,在Matlab实验平台上对所提方法的可行性和有效性进行仿真验证验证,结果表明四旋翼无人机执行机构在发生部分失效故障时,输出信号能够快速跟踪轨迹,实现了对执行机构部分失效故障的容错控制。     

四旋翼无人机时延模糊自抗扰容错控制

针对四旋翼无人机系统执行器故障问题，为改善飞行控制系统性能，提出一种时延模糊自抗扰容错控制。首先，根据四旋翼无人机系统非线性数学模型和执行器故障模型，选择模糊自抗扰控制器作为基准控制器，在未发生执行器故障的情况下，使飞行控制系统保持稳定；其次，在发生执行器故障的情况下，利用时延控制技术估计故障信息，并与模糊自抗扰控制相结合，实现容错控制；最后，对所研究的容错控制算法进行数值仿真分析，仿真结果表明：把时延控制与模糊自抗扰控制相结合，能有效调节执行器故障，使飞行控制系统对故障产生的干扰具有良好的鲁棒性。     

四旋翼无人机抗干扰轨迹跟踪控制

针对四旋翼无人机轨迹跟踪过程中存在的参数不确定与外界干扰问题,设计一种双闭环自适应控制策略.为了降低控制器设计复杂度,根据四旋翼无人机系统的欠驱动特性将系统分成姿态内环和位置外环.在扰动观测器的基础上,利用积分型反步控制算法完成无人机位置信息在外界干扰下的稳定跟踪控制.在扰动观测器的基础上,利用自适应滑模控制算法完成无...     

Terminal sliding mode fault-tolerant control for aviation redundant hydraulic actuation system based on robust fault reconstruction

This paper investigates the fault-tolerant control problem for a dual-redundant hydraulic actuation system on active/active (A/A) mode subject to servovalve leakage and disturbances. The change in system dynamics caused by servovalve leakage is modeled as an additive time-varying fault. Then, an enhanced iterative learning observer with improved robustness against abrupt unknown input is designed for fault reconstruction. In view of the high relative degree of the plant, an auxiliary variable is adopted to facilitate the controller design. Combined with the fault reconstruction results, an adaptive continuous nonsingular fast terminal sliding mode (NFTSM) fault-tolerant controller is developed, in which an NFTSM manifold is constructed based on the auxiliary variable to achieve fast convergence of trajectory tracking errors. An adaptive continuous reaching law with less chattering is designed to compensate for the influence of the lumped disturbance. Lyapunov stability analysis demonstrates that this method can ensure finite-time convergence of sliding variable and can guarantee the trajectory tracking errors converge to the neighborhood of the origin exponentially. Finally, the effectiveness of the proposed method is verified through a comparative simulation study.     

Simultaneous fault estimation and fault-tolerant tracking control for uncertain nonlinear discrete-time systems

This paper deals with simultaneous fault estimation and control for a class of nonlinear systems with parameter uncertainty, which is described by Takagi–Sugeno (T–S) fuzzy model with parameter uncertainties and unknown disturbance. In this paper, a fuzzy reference model is used to generate error dynamic for tracking control. By considering actuator fault as an auxiliary state vector, we construct an augmented error system and propose a fault estimator/controller to achieve simultaneous fault estimation and fault-tolerant tracking control. H_∞ approach is used in the design of estimator/controller to attenuate the effect of the unknown disturbance and parameter uncertainties. The design conditions are formulated into a set of linear matrix inequalities (LMIs), which can be efficiently solved. Finally, a pitch-axis nonlinear missile model is used to illustrate the effectiveness of the proposed method.     

直线电机位置轨迹自适应渐近跟踪

针对直线电机构成的伺服系统中存在的负载扰动和端部效应等阻力扰动,设计了一个自适应的轨迹渐近跟踪控制器;控制律的实现只涉及输出位移的测量信号,而不必依赖于速度的测量;先引入一个基于K滤波器结构的降阶观测器,接着利用自适应观测器后推技术设计了轨迹跟踪控制器和扰动参数估计的自适应律;对闭环系统的稳定性和渐近跟踪能力做了理论分析,并进行了仿真研究;仿真结果表明;设计的控制器可以实现对目标轨迹的渐近跟踪;在系统持续激励的情况下,扰动参数的估计可以收敛到真正的值。     

基于MPC的四旋翼无人机航迹跟踪控制系统

目前研究的四旋翼无人机航迹跟踪控制系统跟踪过程不稳定,导致跟踪结果不准确;为此基于MPC设计了一种新的四旋翼无人机航迹跟踪控制系统.通过空中飞行控制器、地面控制器和人工干预器实现了无人机航线的跟踪控制;空中飞行控制器包括GPS导航定位模块、姿态评估模块(MTI)、飞行控制系统计算机,显示模块等;地面控制器探测周围飞行环境,规避障碍物、规划安全航线,传输至空中自主飞行控制系统,包括无线通讯的数据连接电路和地面终端控制模块;人工干预模块能对飞行过程中发生的意外情况进行人工干预以避免突发情况造成危险;以VS2010为开发环境,利用C++软件设计软件流程;利用MPC多变量控制策略,以最优动态轨迹为控制目标,获取无人机的实时飞行状况,设定航线规划流程,实行航线动态规划;实验结果表明,所设计的无人机航迹跟踪控制系统稳定性较好,跟踪控制结果与预期的跟踪控制曲线重合度更高,平均误差控制在1 cm以内.     

Fault-tolerant control for a class of non-linear systems with dead-zone

In this paper, a fault-tolerant control scheme is proposed for a class of single-input and single-output non-linear systems with the unknown time-varying system fault and the dead-zone. The non-linear state observer is designed for the non-linear system using differential mean value theorem, and the non-linear fault estimator that estimates the unknown time-varying system fault is developed. On the basis of the designed fault estimator, the observer-based fault-tolerant tracking control is then developed using the backstepping technique for non-linear systems with the dead-zone. The stability of the whole closed-loop system is rigorously proved via Lyapunov analysis and the satisfactory tracking control performance is guaranteed in the presence of the unknown time-varying system fault and the dead-zone. Numerical simulation results are presented to illustrate the effectiveness of the proposed backstepping fault-tolerant control scheme for non-linear systems.     

四旋翼无人机参数预测和抗扰动自适应轨迹跟踪控制

为了降低外界环境对四旋翼无人机飞行轨迹的扰动性,提高无人机的控制精度,提出1种基于滑模控制的四旋翼无人机参数预测和抗扰动的自适应轨迹跟踪控制器。这种控制器对四旋翼无人机系统的不确定状态参数、气流、风阻和执行器故障等外界扰动进行预测,实现了对系统输入的状态补偿和扰动补偿,提高了无人机的轨迹跟踪效率和抗扰动能力,消除了机体在飞行过程中的抖振现象,提高了无人机系统对环境的适应性和控制器的稳定性。通过仿真实验,分析了四旋翼无人机在不同控制器作用下的轨迹跟踪性能曲线,验证了所提出的控制器的优越性和有效性。