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。     

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.     

基于风速估计的风力机状态反馈滑模容错控制

针对风力机变桨距执行机构突变故障,提出了基于风速估计的自适应状态反馈滑模容错控制策略.首先,设计了基于自适应状态反馈滑模理论的鲁棒主动容错控制器,并结合全阶补偿器对控制律进行设计;然后,利用基于变速灰狼优化算法的组合径向基函数神经网络实现风速估计,可以改善风速测量精度并提高控制系统可靠性;最后,根据线性矩阵不等式和Lyapunov理论对控制器稳定性进行讨论,并与现有控制策略进行比较.仿真结果表明,在健康/故障的变桨距执行机构条件下,所提容错控制方法均能获得较好的控制效果.     

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。     

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.     

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.     

一种基于时变干扰观测器的高超声速飞行器容错控制策略设计

为了提高高超声速再入飞行器(HRV)在执行机构故障情况下的姿态控制效果,提出一种基于时变干扰观测器和参考轨迹重构器(RVG)的滑模容错控制策略.首先,设计一种新型自适应干扰观测器(ADO)来估计系统扰动,在保证估计精度的同时,能够有效削弱传统干扰观测器的初始超调现象;然后,基于反步法设计HRV的滑模控制器,在设计中引入参考轨迹重构器以避免故障突变引起的初始尖峰,并且在滑模面的设计中利用ADO所估计的系统扰动实现干扰的在线补偿.仿真结果表明,所设计的控制策略可以有效解决传统的基于高增益干扰观测器的滑模控制律受故障引起的突变和初始估计误差造成控制系统动态性能恶化的问题.     

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。     

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.     

Distributed fault‐tolerant control design for spacecraft finite‐time attitude synchronization

This paper develops two distributed finite‐time fault‐tolerant control algorithms for attitude synchronization of multiple spacecraft with a dynamic virtual leader in the presence of modeling uncertainties, external disturbances, and actuator faults. The leader gives commands only to a subset of the followers, and the communication flow between followers is directed. By employing a novel distributed nonsingular fast terminal sliding mode and adaptive mechanism, a distributed finite‐time fault‐tolerant control law is proposed to guarantee all the follower spacecraft that finite‐time track a dynamic virtual leader. Then utilizing three distributed finite‐time sliding mode estimators, an estimator‐based distributed finite‐time fault‐tolerant control law is proposed using only the followers' estimates of the virtual leader. Both of them do not require online identification of the actuator faults and provide robustness, finite‐time convergence, fault‐tolerant, disturbance rejection, and high control precision. Finally, numerical simulations are presented to evaluate the theoretical results. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Adaptive disturbance observer‐based finite‐time continuous fault‐tolerant control for reentry RLV

The control effectors of reusable launch vehicle (RLV) can produce significant perturbations and faults in reentry phase. Such a challenge imposes tight requirements to enhance the robustness of vehicle autopilot. Focusing on this problem, a novel finite‐time fault‐tolerant control strategy is proposed for reentry RLV in this paper. The key of this strategy is to design an adaptive‐gain multivariable finite‐time disturbance observer (FDO) to estimate the synthetical perturbation with unknown bounds, which is composed of model uncertainty, external disturbance, and actuator fault considered as the partial loss of actuator effectiveness in this work. Then, combined with the finite‐time high‐order observer and differentiator, a continuous homogeneous second‐order sliding mode controller based on the terminal sliding mode and super‐twisting algorithm is designed to achieve a fast and accurate RLV attitude tracking with chattering attenuation. The main features of the integrated control strategy are that the adaptation algorithm of FDO can achieve non‐overestimating values of the observer gains and the second‐order super‐twisting sliding mode approach can obtain a more elegant solution in finite time. Finally, simulation results of classical RLV (X‐33) are provided to verify the effectiveness and robustness of the proposed fault‐tolerant controller in tracking the guidance commands. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

Sliding mode fault‐tolerant control of uncertain system: A delta operator approach

This paper is concerned with the sliding mode control of uncertain nonlinear systems against actuator faults and external disturbances based on delta operator approach. The nonlinearity, actuator fault, and external disturbance are considered in this study, and the bounds of Euclidean norms of the nonlinearity and the specific lower and upper bounds of the actuator faults and the disturbances are unknown knowledge. Our attention is mainly focused on designing a sliding mode fault‐tolerant controller to compensate the effects from the nonlinearity, unknown actuator fault, and external disturbance. Based on Lyapunov stability theory, a novel‐adaptive fault‐tolerant sliding mode control law is deigned such that the resulting closed loop delta operator system is finite‐time convergence and the actuator faults can be tolerated, simultaneously. Finally, simulation results are provided to verify the effectiveness of the proposed control design scheme. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

四旋翼无人机姿态系统的非线性容错控制设计

本文研究了四旋翼无人机执行器发生部分失效时的姿态控制问题.通过分析其动力学特性,将执行器故障以乘性因子加入系统模型,得到执行器故障情况下四旋翼无人机的姿态动力学模型.在同时存在未知外部扰动和执行器故障的情况下,设计了一种基于自适应滑模控制的容错控制器.利用基于Lyapunov的分析方法证明了所设计控制器的渐近稳定性.在四旋翼无人机实验平台上进行了实验,验证了该算法对存在未知外部扰动和执行器部分失效时四旋翼无人机的姿态控制具有较好的鲁棒性.     

Fault‐Tolerant Control for Flutter of Airfoil Subject to Input Saturation

In this paper, a fault tolerant control is studied for a two‐dimensional airfoil with input saturation and actuator fault. The dynamic equation of airfoil flutter is firstly established, in which the cubic hard spring nonlinearity of pitch stiffness is considered. Then, an adaptive sliding mode fault tolerant control is derived by using an on‐line updating law to estimate the bound of the actuator fault such that no information about the fault is needed. Furthermore, an auxiliary design system is introduced to resolve actuator saturation in control. Next, Lyapunov stability analysis is carried out to prove that the system is asymptotically stable. Finally, the effectiveness of the proposed controller is verified through numerical simulations. Simulation results indicate that the adaptive sliding mode fault tolerant controller is effective in suppressing airfoil flutter under partial loss of actuator effectiveness performance and input saturation.     

基于super-twisting算法的多航天器姿态有限时间 分布式协同控制

针对受外界干扰和执行器故障影响的多航天器姿态协同控制问题,本文设计了一种基于干扰观测器的分布式协同supper-twisting滑模控制器.首先,将各航天器的外界干扰和执行器故障看作一个集总干扰,设计自适应滑模干扰观测器对其进行估计.其次,将supper-twisting算法和积分滑模面相结合,设计一种基于多航天器姿态一致性误差的分布式协同控制器,并由Lyapunov稳定性理论证明了所设计的多航天器姿态可以在有限时间内收敛到平衡点附近的邻域内.最后的仿真研究及比较结果表明,所设计的控制器可以加快系统的收敛速度,并提高系统的控制精度.     

充液航天器的鲁棒固定时间终端滑模容错控制

本文以三轴稳定充液航天器为研究背景,在其进行姿态机动控制过程中充分考虑了外部未知干扰、参数不确定、执行器故障和控制输入饱和等因素的影响,提出了一种固定时间终端滑模控制策略.动力学建模过程中,利用粘性球摆等效力学模型模拟液体燃料小幅晃动,通过拉格朗日方程推导出航天器的耦合动力学模型.姿态控制器设计过程中,首先构造固定时间滑模面,使其稳定到平衡位置的时间与系统初始状态无关.然后采用固定时间控制理论结合自适应估计算法提出了自适应固定时间容错控制律,其中自适应算法用于估计系统集总扰动的未知上界.所提出的控制策略采用饱和函数克服终端滑模控制方案中存在的奇异性问题,同时保证系统状态快速收敛到固定时间滑模面.根据Lyapunov稳定性理论证明了系统状态能够在固定时间内收敛到原点的较小邻域内.对比的数值仿真方法验证了本文提出控制方法的有效性和鲁棒性.