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。     

考虑输入饱和的近空间飞行器姿态容错控制

针对近空间飞行器姿态控制中出现的执行器故障,输入饱和与外部干扰等问题,设计了一种基于二阶滑模干扰观测器和辅助系统的鲁棒容错跟踪控制方法.首先,将系统不确定,外部扰动和执行器故障作为复合干扰,设计super-twisting二阶滑模干扰观测器对其进行估计.然后为解决输入饱和问题构造了辅助分析系统,并借助backstepping方法,设计姿态容错跟踪控制器.利用Lyapunov方法,严格证明了所有闭环系统信号的收敛性.最后将所设计的控制方法应用于近空间飞行器姿态控制中,仿真结果验证了该控制方法的有效性.     

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.     

基于滑模控制的卫星姿态控制算法研究

针对卫星姿态控制系统存在外部扰动和执行器故障的情况下,提出一种基于非线性观测器技术和滑模控制理论的容错控制器设计方案。首先,建立含有外部扰动和执行器故障的刚体卫星姿态控制系统运动学方程和动力学方程。然后,通过非线性干扰观测器估计系统中的未知故障,进而利用故障信息基于滑模控制策略设计容错控制器。通过Lyapunov函数证明闭环姿态控制系统的稳定性。最后通过数值仿真验证该容错控制方案的鲁棒性和可行性。     

飞翼无人机复合连续非奇异终端滑模姿态跟踪容错控制

本文针对受多源干扰和舵面故障影响的飞翼无人机系统姿态跟踪控制问题进行研究, 提出了一种基于高阶滑模观测器的复合连续非奇异终端滑模主动抗干扰容错控制算法, 在实现姿态跟踪误差有限时间收敛的同时, 保证了控制量的连续. 并且针对控制力矩的具体实现问题, 结合飞翼无人机气动舵面冗余特性, 给出了基于加权伪逆算法的舵面分配方案, 该方案在满足舵面约束的情况下, 保证了舵面偏转角度的最优. 仿真结果表明, 所提控制方案显著提升了飞翼无人机姿态跟踪精度和跟踪误差的收敛速度, 并且保证了所有舵面满足偏角约束.     

微纳卫星姿态控制系统的精细抗干扰容错控制方法

本文针对一类微纳卫星姿态控制系统飞轮突变故障提出了一种具有干扰抑制和补偿能力的精细故障诊断及容错控制方法.针对反作用飞轮的突变故障,本文不仅考虑了星体转动惯量变化导致的系统参数不确定性,而且考虑了姿态控制系统中飞轮振动带来的干扰影响,设计基于干扰观测器和故障诊断观测器的复合抗干扰容错控制器,并基于线性矩阵不等式对控制器进行求解,使复合系统稳定并满足一定的鲁棒H∞性能.仿真结果表明,基于微纳卫星姿态控制系统的精细故障诊断方法在有效诊断系统时变故障的同时,可有效抵消与抑制干扰.     

无人驾驶飞行器姿态的非线性扰动抑制控制

本文研究了无人驾驶飞行器(unmanned aerial vehicle,UAV)的姿态跟踪控制问题.针对在飞行器姿态跟踪时存在的系统模型不确定性和外界扰动,提出了一种基于四元数的姿态跟踪控制方法,基于UAV的姿态误差模型分别设计系统的观测器和控制器.首先,以四元数为姿态参数建立系统的非线性误差模型;在此基础之上,设计一种非线性干扰观测器(nonlinear disturbance observer,NDOB)用以在线估计误差模型中的复合扰动,并在控制输入端进行相应的补偿.然后通过设计非线性广义预测控制律设镇定误差系统,实现姿态跟踪.最后基于频域理论分析了非线性干扰观测器的扰动抑制性能.仿真与实验结果表明本文提出的方法在系统存在复合扰动的情况下能使系统姿态有效的跟踪期望值.     

基于迭代学习观测器的航天器姿态主动容错控制

针对含有外部扰动和执行器故障的一类航天器姿态控制系统,本文提出基于迭代学习观测器的主动容错控制方案.首先,建立了含有外部扰动和执行器故障的航天器姿态控制系统的运动学和动力学模型.其次,为了提高观测器的故障估计精度,在传统迭代学习观测器设计基础上引入上一时刻状态估计误差信息,文章提出一种改进型学习估计算法.进一步,基于滑模控制和指定时间稳定理论,利用学习观测器的故障估计信息设计指定时间主动容错控制器.与现有的航天器主动容错控制方案相比,本文所提出的算法的优势在于可以使故障系统的姿态能在指定时间跟踪上指令信号.基于Lyapunov方法,本文从理论上证明了改进型学习观测器和姿态容错控制系统的稳定性.最后,通过数值仿真,说明了所提容错控制方案的有效性和可行性.     

四旋翼无人机轨迹跟踪的容错控制

针对四旋翼无人机轨迹跟踪的容错控制问题,提出了一个鲁棒[H∞]控制和干扰观测器与故障估计器相结合的容错复合控制器的方法。在外部有界扰动和加性故障的条件下,实现对四旋翼无人机的轨迹跟踪。将四旋翼无人机非线性动态模型解耦成独立的外环位置控制系统和内环角度控制系统,引入区间矩阵对系统参数进行描述,使用干扰观测器和故障估计器进行干扰和故障的估计和补偿。然后设计一个复合控制器既能更好地抑制干扰又能保证无人机在自身存在故障的情况下平稳飞行。通过仿真证明该方法的有效性。     

基于学习观测器的航天器指定时间跟踪控制

针对一类含有外部扰动和执行器故障的刚体航天器姿态控制系统,提出一种基于自适应学习观测器的指定时间容错控制器的设计方案.首先,系统性地给出一种改进型自适应学习观测器设计方案,基于自适应学习观测器框架,设计航天器姿态系统的学习观测器实现对系统的综合扰动值估计;然后,利用综合扰动的估计信息和滑模控制理论设计指定时间容错跟踪控制器,使得系统的姿态角能够在指定时间跟踪指令信号,系统的收敛时间可通过容错控制器的参数预先设置,且与系统的初始状态值无关;接着,基于Lyapunov稳定性理论验证含有故障的姿态控制系统能够在指定时间内稳定;最后,通过数值仿真,与已有的观测器和有限时间控制方案进行对比,表明所提出方案的有效性和可行性.     

未知时变惯量航天器自适应姿态跟踪容错控制

针对存在未知时变惯量不确定性、执行机构衰退故障和外部干扰力矩的非刚体航天器系统,研究了航天器自适应姿态跟踪容错控制问题,结合非线性鲁棒控制方法、自适应方法、容错控制理论和参数估计方法,提出了一种鲁棒自适应姿态跟踪容错控制器。所设计的控制器克服了执行器故障、惯量不确定性以及外界干扰对系统稳定性的影响,保证了航天器姿态及角速度能够跟踪上时变的期望状态,实现了跟踪误差系统最终一致有界稳定。最后通过数字仿真验证了所提方法的有效性,并且与已有方法进行了对比,说明了所提方法的优越性。     

航天器执行机构部分失效故障的鲁棒容错控制

针对航天器在轨运行时受到外部干扰以及存在执行机构部分失效故障的问题,提出一种基于白适应滑模控制的鲁棒容错控制方法．该方法利用自适应算法估计执行机构故障的最小值,并通过设计滑模变结构控制器来实现对故障的容错控制以及对干扰的抑制控制,无需精确获得执行机构故障值,从而使得设计的控制器对于故障具有一定的鲁棒性．仿真结果表明了该...     

反步自适应滑模变结构的小卫星姿态鲁棒容错控制

针对小卫星在轨运行中存在输入饱和、干扰力矩与执行器故障的姿态跟踪控制问题,提出了一种反步自适应滑模变结构鲁棒容错控制方法。该方法将反步控制和滑模控制相结合,利用自适应算法估计执行器有效因子最小值和干扰上界,避免了对故障的检测与隔离,实现了输入饱和、干扰和故障对系统稳定性影响的抑制。基于Lyapunov方法从理论上证明了闭环系统的稳定性;将该方法用于小卫星的状态跟踪控制,仿真结果表明该控制器能有效处理姿态控制时输入饱和受限的约束,对部分失效和偏差型故障具有较强的容错能力,并具有一定鲁棒性。     

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.     

一类非线性系统的输出反馈容错控制

针对一类非线性系统,研究了故障情况下基于输出反馈的容错控制问题．首先基于Zhang的自适应观测器和Lin的输出反馈控制律设计了正常系统的标称控制律,分析了该控制律的性能,并得到了故障发生后仍然采用该控制律时闭环系统状态有界的充分条件．在此基础上,设计了故障系统的容错控制律,证明了若发生的故障满足前述的充分条件,则故障系统在该容错控制律下稳定．数值仿真表明了该方法的有效性．     

航天器时延自适应变结构容错控制

针对航天器存在未知惯量参数以及干扰与执行机构失效的姿态机动问题,提出一种将自适应变结构控制与时延技术相结合的鲁棒容错控制方法.该方法在继承变结构控制优点的同时,提高了控制律对参数和干扰变化的自适应能力;利用时延技术的逼近能力补偿执行机构的故障,使得控制器对执行机构的失效具有很强的容错能力,并且执行机构故障信息不需进行在线检测和分离.仿真结果表明,在完成姿态调节控制的同时,所提出的方法具有良好的过渡过程品质.     

基于气动舵面和RCS融合控制的高超声速飞行器再入姿态容错控制

针对高超声速飞行器再入姿态模型,研究气动舵面故障时的再入姿态容错控制.根据高超声速飞行器再入初期的特点,通常需要反作用控制系统(Reaction Control Systems,RCS)协助气动舵面完成姿态控制.采用Backstepping方法获得期望力矩,将气动舵面视为首要执行机构,在气动舵面之间控制分配期望的力矩.如果气动舵面不能达到期望力矩,则开启RCS,由RCS提供气动舵面不能提供的力矩.考虑舵面发生部分失效和卡死故障情况,设计基于控制分配算法的容错控制策略,使得系统在故障情况下仍旧保持稳定并恢复追踪性能.     

基于滑模观测器的临近空间飞行器容错控制

针对临近空间飞行器中结构未知的执行器故障,提出一种基于滑模观测器的容错控制方法。采用Edwards-Spurgeon观测器结构设计滑模观测器,实现对执行器故障的鲁棒估计。根据所得的故障信息设计模型参考滑模容错控制器,控制律的非线性增益分为两部分,保证系统的鲁棒容错性能。一部分利用参数不确定的界值条件设计,一部分基于鲁棒故障估计信息设计。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的渐近稳定性。仿真结果表明,该方法能有效实现对执行器故障的鲁棒估计,并保证故障条件下飞行器对参考模型的稳定跟踪性能,达到了期望的容错效果。     

基于中间估计量观测器的飞行器姿态容错控制

针对刚性飞行器在飞行过程中发生执行器故障和受到外界干扰的问题,基于中间估计量的方法提出了一种主动容错控制方案.通过设计中间估计量观测器,将常见的乘性及加性执行器故障以整体故障估计量的形式加入到系统模型中,并验证了观测结果的收敛.在未知外部干扰和执行器故障同时存在的情况下,基于求解Riccati方程设计了一种飞行器主动容错控制策略,利用Lyapunov定理验证闭环系统的稳定性.最后通过仿真验证了设计控制系统的有效性和稳定性.     

有扰情况下全局稳定姿态跟踪控制

许多空间飞行任务要求卫星姿态跟踪控制。由于卫星在跟踪过程中不可避免要受到各种干扰，因此有必要研究有扰情况下卫星的姿态跟踪问题。本文率先针对存在常值扰动和正弦扰动情况时的姿态跟踪控制问题，采用退步法和内模原理设计了基于误差四元数的姿态跟踪控制律，并结合Lyapunov直接法和Barbalat引理证明了系统的全局渐近稳定性。理论分析和数学仿真结果表明该控制律能使系统全局渐近稳定，能够有效消除常值干扰和正弦干扰。