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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

飞翼飞行器的操纵面故障自适应补偿控制

本文针对具有操纵面卡死、失效故障以及执行器饱和的飞翼飞行器纵向运动,考虑系统的预定动态性能,提出了一种自适应反步补偿跟踪控制方案.设计预定动态性能(prescribed performance bound,PPB)边界以保证系统的跟踪误差,采用二阶指令滤波器限制执行器的饱和,通过控制分配避免执行器故障后对横侧向运动的影响.所设计的自适应反步补偿跟踪控制律能够保证系统对参考信号的渐近跟踪.仿真结果表明了本文方法的有效性.     

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。     

约束自适应反步法及其在飞行控制中的应用

为解决系统含有参数不确定性和(状态)执行器受限条件下的鲁棒自适应控制问题,将SISO系统指令滤波器推广到MIMO系统,提出一种基于指令滤波的自适应块控反步方法。在设计(虚拟)控制律时引入指令滤波器,在克服标准反步法虚拟控制律导数计算膨胀问题的同时,能够施加系统状态和执行器的限制条件,并通过引入扩展跟踪误差,有效解决了约束条件下参数估计过程的稳定性和跟踪误差收敛问题。给出了Lyapunov闭环稳定性证明,并将该方法应用于含有未知气动参数和输入饱和约束的飞行器非线性姿态控制器设计。6自由度飞行仿真表明,该控制器具有良好的指令跟踪能力和较强的鲁棒性。     

输入受限的非仿射纯反馈不确定系统自适应动态面容错控制

针对存在执行器故障和输入饱和受限的非仿射纯反馈不确定动态系统,提出了一种自适应动态面容错控制策略.在不损失模型精度和考虑系统输入饱和受限的前提下,基于中值定理将非仿射系统转化为具有线性结构的时变不确定系统,在此基础上,再利用参数自适应投影技术对有界不确定时变参数进行在线估计,参数估计误差和外界扰动采用非线性动态阻尼技术进行补偿,并利用双曲正切函数和Nussbaum函数处理系统输入饱和受限和控制增益函数方向未知的问题,同时将反演法和动态面法相结合设计鲁棒自适应控制器,消除了反演法的计算膨胀问题,并且在系统出现执行器失效故障的情况下可确保稳定跟踪.最后,根据解耦反推法,基于Lyapunov稳定性定理证明了闭环系统的半全局一致最终有界.仿真结果验证了所设计控制方案的可行性与有效性.     

Actuator fault‐tolerant control of ocean surface vessels with input saturation

In this paper, an actuator robust fault‐tolerant control is proposed for ocean surface vessels with parametric uncertainties and unknown disturbances. Using the backstepping technique and Lyapunov synthesis method, the adaptive tracking control is first developed by incorporating the actuator configuration matrix and considering actuator saturation constraints. The changeable actuator configuration matrix caused by rotatable propulsion devices is considered. Next, the actuator fault‐tolerant control is developed for the case when faults occur in propulsion devices of the ocean surface vessel. Rigorous stability analysis is carried out to show that the proposed fault‐tolerant control can guarantee the stability of the closed‐loop system under certain actuator failure. Finally, simulation studies are given to illustrate the effectiveness of the proposed adaptive tracking control and fault‐tolerant control. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

预设跟踪性能下车辆队列执行器故障主动容错控制

研究预设跟踪性能下的车辆队列执行器故障主动容错控制问题.考虑执行器部分失效和偏移故障情形,设计Luenberger观测器和自适应残差阈值以实现执行器故障检测.在此基础上,为了确保执行器故障下的车辆队列暂态和稳态性能,在预设跟踪性能框架下,设计基于反步法的主动容错控制算法,在满足预设性能的前提下,实现车辆队列跟踪误差有界,且车辆间距满足安全性和紧凑性约束.仿真结果验证了所提出主动容错控制算法的有效性.     

Adaptive fault-tolerant control of switched nonlinear systems based on tuning function method

This paper solves the problem of adaptive fault-tolerant control of uncertain switched nonlinear systems with unknown parameters and actuator failures. Based on the multi-Lyapunov function method, a novel adaptive switched controller with tuning function is designed using the backstepping procedure. Meanwhile, a switched fault-tolerant adaptation mechanism is also given to compensate the fault efficiency. Furthermore, it is certificated that all the signals of the closed-loop system are uniformly bounded and the tracking error restrain to a small neighbor. Finally, the simulation results verify the feasibility of the proposed method.     

Finite Time Fractional-order Adaptive Backstepping Fault Tolerant Control of Robotic Manipulator

In this paper, fractional calculus theory is employed to inspect a finite time fault tolerant controller for robotic manipulators in the presence of uncertainties, unknown external load disturbances, and actuator faults, using fractional-order adaptive backstepping approach in order to achieve, fast response and high-precision tracking performance. Knowing the advantages of adaptive controllers an adaptive form of the above controller is then established to deal with the overall uncertainties in the system. The most important property of the proposed controller is that we do not need to have knowledge about the actuator fault, external disturbances and system uncertainties exist in system. In this study two important achievements are made. The first one is that the finite time convergence of closed-loop system is ensured irrespective of initial states values. The second one is that the effects of the actuator faults and other uncertainties are attenuated by the suggested controller. The performance of the suggested controller is then tested for a PUMA560 robot in which the first three joints are used. The simulation results validate the usefulness of the suggested finite-time fractional-order adaptive backstepping fault-tolerant (FOAB-FTC) controller in terms of accuracy of tracking, and convergent speed.

     

带有执行器故障汽车驾驶机器人反步自适应容错控制

针对机械腿执行器可能发生的不确定故障,提出了一种自适应容错控制方法。首先基于反步设计基本非线性控制器;然后设计自适应控制器对机械腿控制系统进行故障补偿和扰动抑制,使机械腿在发生故障的情况下仍能旋转到期望位置,进而实现对车速的跟踪控制。最后通过搭建Simulink仿真模型,证明所提的故障补偿控制算法能实现期望的控制目标提高汽车行驶过程中的安全性和可靠性。     

带有完全分布式观测器的多智能体系统自适应容错一致性

针对一类同时带有执行器故障, 未知非线性动态和非匹配干扰的多智能体系统, 本文提出一种新的自适应 容错控制方案. 首先, 设计一种适用于有向切换拓扑的完全分布式观测器估计领导者的信息, 将一致性问题转化为 局部的信号跟踪问题. 其次, 拆解转化后的误差系统为两个耦合的子系统, 实现非匹配干扰与匹配因子分离. 然后, 利用径向基神经网络近似非线性动态, 并结合反步法设计3种自适应故障补偿器, 使系统能够在线补偿故障和未知 动态的影响. 最后, 数值仿真验证了所提方案的有效性.     

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。     

动力定位船轨迹跟踪鲁棒自适应容错控制

本文研究了输入饱和状态下的动力定位船故障容错鲁棒自适应控制问题.该问题以动力定位船轨迹跟踪任务为目标,提出了一种新颖的鲁棒自适应控制器的设计,并且引入了二阶快速非奇异终端滑模和神经网络控制算法保证了控制器在实际任务中的执行效果.首先,介绍了三自由度动力定位船的运动模型包括了运动学模型和动力学模型以及推进器故障模型.然后,设计了二阶快速非奇异终端滑模面,提出了一种针对时变扰动和模型不确定性的鲁棒控制方案,保证系统无抖振现象的前提下实现了系统更快的收敛速度.同时运用被动容错控制思想,确保动力定位船在推进器故障发生时依然能够实现预计的跟踪性能.此外,通过Lyapunov稳定性判据分析,证明了提出的改进自适应滑模控制方法可确保系统在初始状态未知前提下,跟踪误差渐近收敛于零.最后,通过数值仿真实验结果验证了控制律的有效性.     

Adaptive decentralized fault‐tolerant tracking control for large‐scale nonlinear systems with input quantization

In this paper, an adaptive decentralized tracking control scheme is designed for large‐scale nonlinear systems with input quantization, actuator faults, and external disturbance. The nonlinearities, time‐varying actuator faults, and disturbance are assumed to exist unknown upper and lower bounds. Then, an adaptive decentralized fault‐tolerant tracking control method is designed without using backstepping technique and neural networks. In the proposed control scheme, adaptive mechanisms are used to compensate the effects of unknown nonlinearities, input quantization, actuator faults, and disturbance. The designed adaptive control strategy can guarantee that all the signals of each subsystem are bounded and the tracking errors of all subsystems converge asymptotically to zero. Finally, simulation results are provided to illustrate the effectiveness of the designed approach.