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...     

基于多模型自适应的飞行控制系统重构与优化

对飞行器执行机构受损或失效情况下其飞行控制规律重构的问题,提出一种基于线性二次最优控制理论的多模型自适应控制重构技术方案。利用线性二次调节器获得参考模型,基于故障诊断与检测技术,运用Lyapunov稳定性理论,确保闭环控制系统的严格正实性和全局渐进稳定性。根据飞行器的动力学控制规律,进行故障辨识和模型切换,实现故障状态下飞行控制规律的重构与优化设计。针对典型故障情况进行飞行器控制重构仿真验证,结果表明系统能够在舵面部分失效下完成控制重构,保证有效飞行器运行控制。     

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.     

一类不确定非线性切换系统的鲁棒容错控制

研究一类不确定非线性切换系统的鲁棒容错控制问题,当执行器失效或部分失效时,利用Lyapunov函数法建立切换闭环系统混杂状态反馈容错控制器存在的充分条件;然后运用线性矩阵不等式将鲁棒容错控制器设计问题转化为一组线性矩阵不等式的可行解问题,从而借助Matlab中线性矩阵不等式工具箱求解;最后通过数值算倒验证了所提出设计方法的有效性.     

随机多变量系统的自适应容错控制

为保证控制系统在正常和故障状态下都能可靠安全地运行,本文将自适应控制方法和容 错技术结合,提出了一种适于随机多变量系统的新型自适应容错控制器.该控制器不仅适于 开环不稳定的非最小相位系统,而且当执行机构卡死或失效时仍能稳定工作,仿真结果验证了 本文算法的有效性.     

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。     

基于系统特征的自适应被动容错控制及其应用

本文在黄金分割鲁棒自适应控制器的基础上，设计了一种自适应被动容错控制器，能在线辨识对象特征模型，在线提取系统动态性能特征和故障特征，对控制系统执行机构和测量部件的某些软故障具有被动容错能力。与传统ＰＩＤ控制的对比仿真充分说明了这种控制方案的优越性。     

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MMST分组的一类MIMO非线性系统执行器故障自适应补偿控制

在多输入多输出(Multiple-input multiple-output,MIMO)非线性系统的执行器故障容错控制问题中,控制器能够处理的执行器故障集合的大小与执行器分组方法有很大关系.为扩大系统可处理的执行器故障集合,本文针对一类具有执行器故障的MIMO非线性最小相位系统,提出基于多模型切换(Multiple model switching and tuning,MMST)执行器分组的自适应补偿控制方法.考虑系统的执行器卡死、部分失效和完全失效故障,在微分几何反馈线性化的基础上,研究基于多模型切换的执行器分组切换指标和切换策略,设计了基于反演控制的自适应补偿跟踪控制律,所设计的控制律能保证系统在执行器故障时闭环稳定,渐近跟踪给定的参考信号,且提出的分组方法扩大了可补偿的执行器故障集合.仿真结果表明了本文设计方法的有效性.     

执行机构部分失效的挠性航天器多界依赖容错控制

针对挠性航天器在轨运行时受到的外部干扰,输入时滞以及执行机构部分失效问题,本文提出了一种基于不确定参数的鲁棒H_∞容错控制方法.首先,将执行机构部分失效容错控制问题转化为不确定参数的鲁棒控制问题.然后,设计了一个新型的多界依赖状态反馈鲁棒H_∞控制算法.此算法不仅依赖时滞积分不等式分割参数和时滞界信息,还依赖部分失效因子.因此,本文设计的控制器能同时实现对输入时滞的敏感,对部分失效故障的容错及对外部干扰的抑制.最后,通过一系列的仿真验证本文方法的有效性.     

Asynchronous H∞ Control for Unmanned Aerial Vehicles: Switched Polytopic System Approach

This study is concerned with the H_∞ control for the full-envelope unmanned aerial vehicles (UAVs) in the presence of missing measurements and external disturbances. With the dramatic parameter variations in large flight envelope and the locally overlapped switching laws in flight, the system dynamics is modeled as a locally overlapped switched polytopic system to reduce designing conservatism and solving complexity. Then, considering updating lags of controller's switching signals and the weighted coefficients of the polytopic subsystems induced by missing measurements, an asynchronous H_∞ control method is proposed such that the system is stable and a desired disturbance attenuation level is satisfied. Furthermore, the sufficient existing conditions of the desired switched parameter-dependent H_∞ controller are derived in the form of linear matrix inequality (LMIs) by combining the switched parameter-dependent Lyapunov function method and average dwell time method. Finally, a numerical example based on a highly maneuverable technology (HiMAT) vehicle is given to verify the validity of the proposed method.      

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.     

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.     

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。     

执行器不确定系统鲁棒预测动态控制分配策略

针对多操纵面级联飞行控制结构中执行器存在多面体不确定的问题, 提出了一种基于鲁棒预测控制理论的动态控制分配策略. 考虑位置约束和速率约束, 建立了多面体不确定冗余执行器的增广控制模型; 以执行器状态和虚拟指令跟踪误差为增广变量构造二次型李亚普诺夫函数, 将无穷时域Min-Max非线性规划转化为线性矩阵不等式凸优化问题, 设计了保守性小的鲁棒预测控制律. 各个控制指令汇集到一个混合优化控制分配器, 由它分派控制指令, 以最优地补偿执行器的不确定动态特性. 仿真结果表明, 该策略可综合补偿执行器的多面体不确定性, 在操纵面偏转范围内精确地跟踪虚拟指令, 保证了闭环系统的稳定性, 具有较好的鲁棒性.     

An adaptive integral sliding mode FTC scheme for dissimilar redundant actuation system of civil aircraft

ABSTRACT

This paper proposed a new adaptive integral sliding mode FTC scheme to deal with the actuator faults and failure. The scheme combines integral sliding mode control, control allocation scheme and adaptive strategy. The unknown actuator faults are handled by adaptive modulation gain of nonlinear ISMC law. To cope with complete failure, control allocation scheme is integrated with the baseline controller to provide tolerance. The proposed strategy relies on the estimate of actuator effectiveness. Therefore, an adaptive sliding mode observer based fault reconstruction scheme is proposed in this paper. The proposed scheme is implemented on dissimilar redundant actuation system driven by hydraulic and electro-hydraulic actuators. In nominal and faulty conditions, both actuators are contributing to achieving the desired control surface deflection. However, when the actuator failure occurs, the control signals are reallocated to the redundant actuator. The problem of dynamics mismatch is addressed using fractional order controller designed in an inner loop. The comparison with the existing literature is also conducted in the simulation to validate the dominant performance.     

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。     

双容液位系统的不确定时滞的鲁棒容错控制

针对双容液位控制系统的执行器失效等故障,通过线性化建模,研究了鲁棒自适应容错控制问题。首先在系统无故障正常工作时,考虑建模误差、输入信号的稳定性、系统参数等不确定性因素,利用不确定性上界自适应估计,设计了不确定时滞鲁棒控制器。同时,对系统进行故障检测,研究了一种修正控制律的自适应鲁棒容错控制器设计方法,该控制器通过修补执行器故障所带来的影响使该系统最终有界稳定。最后,通过仿真实验,验证了提出方法的有效性。     

Adaptive fault-tolerant vibration control of a wind turbine blade with actuator stuck

ABSTRACT

This paper proposes an adaptive fault-tolerant boundary vibration control method designed to resolve unknown failure and stuck actuator problems in the wind turbine blade control process. The blade is modelled as a distributed parameter system described by two coupled partial differential equations. The proposed boundary control achieved the fact that the vibration of the blade can still be suppressed even when the actuator fails, and the bending and torsional deformation is eventually reduced to zero. Based on the Lyapunov direct method, a fact has been confirmed that the stability of the system is guaranteed under the boundary controller. The effectiveness of the controllers is demonstrated by numerical simulations.