具有输入饱和的近空间飞行器鲁棒控制

针对近空间飞行器这一类存在外部扰动,输入饱和和参数不确定的多输入多输出线性系统,提出了一种基于干扰观测器的抗饱和鲁棒控制方案.将干扰观测器与抗饱和控制技术相结合,从而消除系统存在的未知外部扰动、输入饱和和不确定性对系统控制的影响.首先,设计干扰观测器对线性外部系统产生的未知扰动进行估计.然后根据干扰观测器输出,通过超前抗饱和方法设计抗饱和补偿器,并将其加入到鲁棒控制器的设计中,保证闭环系统存在输入饱和、未知外部扰动和参数不确定情况下的稳定性.为便于设计,干扰观测器、抗饱和补偿器和控制器设计矩阵均通过求解线性矩阵不等式得到.最后,将提出的鲁棒抗饱和控制方法应用于近空间飞行器,仿真结果验证了该控制方案的有效性.     

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。     

考虑执行器动态和输入受限的近空间飞行器鲁棒可重构跟踪控制

针对多变量、不稳定的近空间飞行器姿态系统,在系统存在参数不确定和外部干扰的情况下,并考虑执行器动态和输入受限,提出一种鲁棒可重构跟踪控制策略.首先,利用二阶滑模干扰观测器分别重构姿态、角速率回路的复合干扰;其次,采用鲁棒二阶滑模积分滤波器的反推(backstepping)方法避免了控制器设计中微分项膨胀问题,利用鲁棒项抵消重构误差对系统的影响,以实现姿态控制器设计.然后,在考虑执行器动态、输入受限及舵面卡死故障下,给出一种线性矩阵不等式的在线优化舵面分配算法,以实现飞行器的姿态角渐近跟踪期望的制导指令.最后,仿真结果表明所提出的方法具有良好的跟踪控制性能.     

临近空间飞行器的模型参考滑模容错控制

针对临近空间飞行器中未知的执行器控制效益损失和漂移故障,提出了一种模型参考滑模容错控制方法,保证故障系统对参考模型的稳定跟踪性能。利用跟踪误差系统设计容错控制器,首先构造积分滑模面,以增强系统鲁棒性并消除稳态误差;随后,在无需故障诊断单元的条件下设计模型参考滑模控制律,使其增益能实现自适应调节以处理未知故障影响,其中自适应律基于李雅普诺夫稳定性理论设计,保证闭环系统稳定。在临近空间飞行器纵向动力学模型上的仿真验证表明,该方法能处理执行器中发动机节流阀调节通道和升降舵偏转量通道的不同故障,保证系统获得满意的鲁棒容错跟踪性能。     

带有饱和受限的挠性卫星变结构姿态容错控制

针对挠性卫星在飞行过程中存在推力器故障、控制输入饱和受限以及外部干扰的姿态控制问题,提出了一类基于变结构控制的鲁棒容错控制设计方法.该设计在继承变结构控制的优点的同时,显式地引入推力器输出的饱和幅值,以确保控制输出在其要求界的范围内.同时,充分利用星上推力器的硬件冗余以实现对部分推力器故障的容错,这种思想的引入使得所设计的控制器对故障具有很强的自适应能力,而且对设计者而言,推力器故障信息不需要进行在线的检测和分离.最后,将该控制器应用于某型卫星姿态调节控制,仿真结果表明该控制器能有效地抑制外部干扰、挠性结构的振动和推力器故障的约束,在实现姿态调节的同时,保证其控制输出满足饱和受限界的要求,具有较好的控制性能.     

控制输入饱和的柔性机械手容错控制

针对挠性机械手易受到建模误差和多源干扰等影响,该文提出了一种基于观测器的自适应容错控制策略。首先,构造干扰观测器（DO）和故障诊断观测器（FDO）,分别对机械手的挠性附件产生的振动和执行器故障进行实时估计和抵消;其次,考虑了物理结构限制会导致执行器输入饱和情况,引入抗饱和算法,不仅降低了控制器设计难度,通过约束函数也保证了系统广义状态的稳定性;最后,通过MATLAB/Simulink仿真进一步验证了所提出方法的有效性。     

高超声速飞行器输入受限反演鲁棒控制

针对执行机构受限条件下高超声速飞行器的控制问题,提出一种鲁棒反演控制设计 方法.设计一种新的辅助系统对跟踪误差和控制律进行补偿,保证执行器受限时跟踪误差的 有界性.为了避免传统反演方法中虚拟导数计算量膨胀问题,引入滑模微分器对虚拟 导数进行求解.为了增强系统的鲁棒性,基于改进反正切跟踪微分器(MATD)设计 一种新型干扰观测器,对系统的不确定项进行估计和补偿.最后,通过实例仿真验证了所提出控制器的有效性.     

近空间飞行器纵向抗干扰轨迹控制研究

针对近空间飞行器( nearspace vehicle,NSV) 在高超音速飞行时,气动参数变化剧烈且容易受到外界干扰的特点,研究了NSV 纵向轨迹系统的干扰问题,提出了鲁棒自适应动态面的回馈递推控制方法。首先对高度非线性、高度复杂的NSV 的纵向运动的模型进行坐标变换,采用输入－输出反馈线性化方法,将其转化为仿射非线性模型; 然后通过一阶低通滤波器对控制器设计中的虚拟控制律进行估计,从而避免了对其求导带来的计算膨胀问题; 再结合神经网络逼近理论以及虚拟控制器中的鲁棒项,一起消除近空间飞行器的纵向系统中存在的参数摄动不确定和外界干扰。最后通过稳定性分析,表明了该方法在降低系统控制器复杂性的同时仍具有很好的鲁棒性。     

基于预测控制的高超声速飞行器容错控制器设计

针对存在升降舵面偏转角卡死故障的高超声速飞行器,提出一种基于预测控制的容错控制器设计方法.利用输入输出反馈线性化,对高超声速飞行器纵向模型进行变换;对于速度和高度的高阶导数以及故障项,设计扩张状态观测器在线观测;采用泰勒展开得到预测模型,建立连续预测控制器,分析证明闭环控制系统的稳定性和观测误差的有界性.仿真结果验证了所提方法的有效性.     

输入饱和受限下的刚体飞行器姿态系统的有限时间镇定

研究存在输入饱和受限下的飞行器姿态控制问题, 提出一种有限时间姿态镇定方案. 针对基于修改的Rodriguez 参数模型的飞行器姿态控制系统, 基于齐次性理论和饱和控制器设计方法, 并充分利用系统的模型结构特征, 设计一类饱和的有限时间姿态控制器, 使得姿态可以在有限时间内被镇定到平衡点. 仿真结果验证了所设计姿态控制器的有效性.

     

Guaranteed transient performance based control with input saturation for near space vehicles

This paper describes the design of guaranteed transient performance based attitude control for the near space vehicle(NSV)with control input saturation using the backstepping method.To improve the robust controllability of the NSV,the parameter adaptive method is used to tackle the integrated effect of unknown time-varying disturbance and control input saturation.Based on the backstepping technique and parameter estimated outputs,a robust attitude control scheme is proposed for the NSV with input saturation.A novel robust attitude control scheme is then proposed based on a prescribed performance bound(PPB)which characterizes the convergence rate and maximum overshoot of the attitude tracking error.The closed-loop system stability under both the developed robust attitude control schemes is proved using Lyapunov’s method and uniformly asymptotical convergence of all closed-loop signals is guaranteed.Finally,simulation results are given to show the effectiveness of both the proposed robust constrained attitude control schemes.     

Boundary control for a flexible string system with input saturation constraint

In this study, we focus on the boundary control problem for a vibrating string system with saturated input under the condition of external disturbances. Based on the backstepping approach, a boundary vibration control scheme is proposed to globally stabilize the string around the equilibrium position. A smooth hyperbolic tangent function is exploited to restrict the control input, an auxiliary system and a Nussbaum function are adopted to cope with the nonlinear term derived from the input saturation, and a disturbance observer is employed to tackle the boundary disturbance. The developed controller can assure the convergence of the closed‐loop system state to a small neighbourhood of zero. By the appropriate choice of control design parameters, numerical simulation is conducted to show the effectiveness of the derived control.     

Full-state prescribed performance pose tracking of space proximity operations with input saturation

This paper investigates the relative position tracking and attitude synchronization control for spacecraft close-range proximity missions with input saturation and model uncertainties. A robust saturated relative motion controller is proposed for this purpose. Prescribed performance functions are designed to guarantee the transient and steady-state response of the system and the full-state constraints. Then, a nonlinear disturbance observer is developed to estimate the lumped disturbance that comprises the effects of parametric uncertainties and kinematic couplings. At the same time, a linear compensator system is incorporated into the controller design to deal with the control input saturation. Finally, it can be proved via the Lyapunov theory that the closed-loop system is uniformly ultimately bounded stable. Simulation results on the spacecraft close-range rendezvous and docking mission validate the effectiveness of the proposed control approach.     

输入饱和与姿态受限的四旋翼无人机反步姿态控制

本文针对四旋翼无人机研究了鲁棒反步姿态控制策略.由于四旋翼无人机结构复杂,其非线性数学模型难以精确建立,因此在控制器设计过程中需要综合考虑模型不确定性、未知外部干扰、输入饱和以及姿态受限等因素.针对模型中的不确定项,使用神经网络进行逼近;对于外部未知干扰,使用非线性干扰观测器进行补偿;使用双曲正切函数逼近饱和函数,解决输入饱和问题;同时使用界限Lyapunov函数设计控制器,确保姿态满足限制条件.最后,设计四旋翼无人机反步姿态控制器,并根据Lyapunov稳定性定理证明了闭环控制系统的有界稳定.仿真结果表明了所研究控制方法的有效性.     

航天器姿态跟踪有限时间饱和控制

针对卫星姿态跟踪系统, 在无扰动和有扰动的情况下, 利用双曲正切函数和辅助系统设计两个有限时间饱和控制器. 双曲正切函数可以严格地保证卫星姿态跟踪系统的控制输入是有界的. 通过李雅普诺夫理论可以证明, 系统在两个控制器的作用下既是渐近稳定的又是有限时间稳定的, 系统可以快速收敛到平衡点. 数值仿真进一步表明了所提出的有限时间控制器的有效性.

     

基于干扰特性指标与推力分配的载人潜水器容错控制

载人潜水器在深海复杂恶劣的环境中运行, 容易受到外部环境干扰和推进器故障的困扰, 本文将干扰特性指标与基于推力分配的主动容错控制方法相结合, 提出了一种新的主动容错控制方法. 首先, 建立了载人潜水器系统的数学模型; 其次, 设计非线性干扰观测器估计系统所受的集总干扰, 并设计无推进器故障时的控制器; 然后, 针对推进器故障问题, 引入权重矩阵进行推力分配以保护故障推进器, 并设计了干扰特性指标表示干扰的性质对跟踪误差和推力损失的影响; 在此基础上, 给出了一种基于干扰特性指标与推力分配的新型容错控制方法, 李雅普诺夫方法保证了该控制算法的理论稳定性; 最后, 通过数值仿真, 验证所设计的控制方法的优越性. 其优越性主要体现在: 能够利用可用干扰与补偿有害干扰, 并将可用的干扰能量用于补偿故障推进器的推力缺失.     

一类控制输入饱和受限的不确定系统滑模控制

本文研究控制输入饱和受限情况下不确定系统的滑模控制问题,其中,被控对象同时存在状态矩阵不确定性和控制增益矩阵不确定性.设计了一种积分型切换面和一个具有特殊结构的滑模控制律,可以在参数不确定和控制受限影响下保证系统状态轨迹有限时间内到达指定的切换面,利用等价控制律方法给出了滑模动态渐近稳定的充分条件.数值仿真例子验证了本文算法的有效性.     

Fault-tolerant control of delta operator systems with actuator saturation and effectiveness loss

This paper studies the problem of robust fault-tolerant control against the actuator effectiveness loss for delta operator systems with actuator saturation. Ellipsoids are used to estimate the domain of attraction for the delta operator systems with actuator saturation and effectiveness loss. Some invariance set conditions used for enlarging the domain of attraction are expressed by linear matrix inequalities. Discussions on system performance optimisation are presented in this paper, including reduction on computational complexity, expansion of the domain of attraction and disturbance rejection. Two numerical examples are given to illustrate the effectiveness of the developed techniques.