机器人系统的加权快速终端滑模主动容错控制

针对受执行器故障的非线性机器人系统,提出一种加权快速终端滑模主动容错控制方法。首先利用观测器估计机器人系统中的执行器故障信息,并通过自适应律对故障未知的界进行估计。然后根据机器人各关节的加权位置误差进一步设计快速终端滑模控制器对获得的故障信息做出补偿,从而实现有限时间主动容错控制。通过李雅普诺夫函数法证明了闭环系统的稳定性,并采用两关节机器人验证了方案的有效性。该方案可以通过对不同关节位置误差权重值的分配来相应地补偿故障的影响,能够在有限时间内使得机器人位置跟踪误差快速收敛且跟踪精度得到提高。     

一类非线性系统的故障重构与容错控制

针对一类满足Lipschitz条件的仿射非线性系统,提出一种执行器故障重构与容错控制方法。通过非奇异变化矩阵对系统进行降阶,设计出滑模故障重构观测器,优化滑模策略,使滑模故障重构观测器渐进估计系统的状态,并给出稳定性分析。运用等价输出控制方法直接获取故障信息,实现执行器故障的检测与重构。设计出主动容错控制器,通过补偿控制,完成执行器故障的容错控制。最后通过数值仿真验证了方法的可行性与有效性。     

基于滑模观测器和广义观测器的故障估计方法

针对受未知干扰影响的一类非线性系统,提出一种基于滑模观测器和广义观测器的执行器故障和传感器故障估计方法.首先通过线性变换将原系统解耦为两个降阶的子系统,其中一个子系统受执行器故障和干扰的影响,另一个含有传感器故障和干扰,进一步将后一个子系统转化为广义系统.对两类子系统分别设计滑模观测器和广义观测器,给出估计误差一致最终有界的条件,得到系统状态和未知干扰的估计值.然后,利用等效输出控制原理重构执行器故障,引入干扰补偿保证重构算法的鲁棒性,再根据广义观测器的结果获得传感器故障的估计值.最后,通过计算机仿真验证了本文方法的有效性.     

基于干扰观测器的终端滑模控制研究

针对一类非线性不确定系统,提出一种带干扰观测器的终端滑模控制TSMC方案.在不考虑外部干扰的影响下,设计了终端滑模控制,保证系统状态在有限时间内收敛到零;当存在干扰时,构造了非线性干扰观测器系统,以在线逼近未知外部干扰,消除其影响.考虑输人通道的不确定性,采用自适应方法在线逼近不确定的上界,并采用Lyapunov方法严格证明了自适应闭环系统的稳定性.对一级倒立摆系统进行仿真,仿真结果表明了所设计控制方案的有效性.     

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。     

柴油机油量执行器的干扰估计滑模控制方法

油量执行器是电控分配泵的核心部件之一,其直接控制着柴油发动机的燃油喷射量.模型非线性与外部扰动是油量执行器系统中不可避免的影响因素,前期的许多研究忽略了这些非线性,使得闭环系统性能并不理想.本文考虑了旋转电磁铁和复位弹簧等非线性特性的建模,得到了油量执行器系统的数学模型.进而,在基于模型对系统非线性进行抵消之后引入扩张状态观测器对系统外部干扰和不确定性进行估计,设计了基于扩张状态观测器的滑模控制律.该控制律在保证鲁棒性的同时,可以使得切换增益幅值更小,有利于减小滑模控制的抖振问题.最后,通过MATLAB/Simulink仿真和dSPACE平台实验验证了所提方法的可行性和有效性.     

基于高阶滑模观测器的自适应时变滑模再入姿态控制

针对再入飞行器鲁棒姿态控制问题, 提出一种基于高阶滑模观测器的自适应时变滑模控制器设计方法. 首先, 设计了一种时变滑模面, 并在此基础上推导了相应的时变滑模控制律, 其中滑模控制中切换增益通过一种自适应算法获得, 消除了控制器设计过程中对系统不确定性上界已知的要求; 然后, 利用高阶滑模观测器对控制器设计过程中用到的姿态角导数信息进行观测, 同时能够获得系统扰动估计值, 从而构造一种基于观测器的控制器形式; 最后, 通过仿真验证了所提出的控制算法在提高再入飞行器姿态控制精度以及系统鲁棒性方面的有效性.     

基于NDO的潜艇反演滑模深度控制

针对潜艇变深运动与定深运动过程中存在模型非线性、强耦合和外界干扰不确定等问题,设计一种基于非线性干扰观测器(NDO)的反演滑模控制策略.利用NDO观测系统不确定性和外界干扰,通过选取设计参数,使观测误差指数收敛.针对潜艇垂直面控制系统双通道耦合的特点,采用艏舵控制深度,艉舵控制纵倾的策略.在深度和纵倾通道分别引入NDO后,采用反演法设计滑模控制器,基于李亚普诺夫稳定性理论证明闭环系统的全局渐近稳定性,实现对潜艇深度和纵倾的控制.仿真实验验证了该控制策略的有效性.     

一类非线性系统的故障诊断

讨论了一类非线性系统执行器故障的诊断问题.首先应用已有的状态和输出变换,将一类非线性系统转化为两个低维子系统,然后利用滑模观测器设计理论和等价控制的概念重构执行器故障.     

欠驱动刚体航天器姿态机动滑模控制研究

针对欠驱动刚体航天器的姿态机动控制问题,提出一种滑模变结构姿态控制器的设计方法.首先给出3轴稳定的欠驱动航天器姿态动力学和运动学模型,分析其模型特点;然后,设计了欠驱动刚体航天器的渐近稳定滑模控制律,并证明了其李雅普诺夫意义下的全局渐近稳定性.最后的仿真结果表明,该方法能够有效实现欠驱动航天器的姿态控制,且系统具有全局稳定性和鲁棒性.     

基于输入输出的滑模变结构控制

针对一类非线性系统中存在不确定性和外部干扰,运用滑模变结构控制理论,提出一种具有滑动模态的控制器设计方法。该设计的目的是使系统的跟踪误差趋近于0,并且对不确定性和外部干扰具有较强的鲁棒性。控制器利用滑动模态对系统参数变化以及对外部干扰具有的完全不变性,使系统的鲁棒性得以提高;文中讨论了滑动模态的存在性和滑动模态的不变性原理,对于滑动模态的到达问题,用选定的趋近律代替常规的到达条件,不仅可以减少非线性引起的分析困难,还有助于改善系统的动态品质。最后对一非线性系统进行仿真,仿真结果表明该文提出的控制方法能够获得令人满意的结果。     

Observer‐Based Multiple Faults Diagnosis Scheme for Satellite Attitude Control System

This paper proposes a multiple fault diagnosis (MFD) scheme based on an observer method for satellite attitude control systems (ACSs) subject to nonlinearity and external disturbances of the system. The essential idea is to develop a fault diagnosis scheme and design the corresponding observers for satellite ACSs. The nonlinearity, space external disturbances, sensor uncertainties, and multiple faults problem of the satellite ACS are all taken into account. The proposed MFD scheme is developed at two different levels. First, at the system level, two nonlinear observers based on analytical redundancy are designed for the MFD of the satellite ACS; this level roughly reveals the fault source. Then, at the component level, a bank of sliding mode observers activated by the results of the previous diagnosis is designed to precisely diagnose multiple faults of actuators in the satellite ACS; this level further precisely reveals the fault source. Both the nonlinear observers and the sliding mode observers are confirmed to be asymptotically stable via Lyapunov stability theory. Finally, numerical simulations of a satellite ACS are performed to illustrate the effectiveness of the proposed MFD scheme.     

基于动态边界层的水下航行器滑模轨迹跟踪

滑模控制方法的不变性和鲁棒性特性能够克服水下航行器轨迹跟踪过程中的参数不确定性以及摄动的影响,但在实际应用中存在执行器受限问题常常会导致滑动模态的丧失.为了抑制执行器的速率与幅值限制对滑模控制器的影响,采用二阶滑模控制的水下航行器轨迹跟踪控制,并用了边界层厚度动态控制的方法解决存在速率和幅值限制的有限带宽的执行器的滑模控制器的设计,通过增加边界层厚度,控制器的轨迹跟踪能力有所减弱.但是系统状态仍然保持在边界层内,保证了系统的稳定性.通过仿真证明了水下航行器的姿态角跟踪控制仿真证明了上述结论的正确性.     

航天器位姿运动一体化直接自适应容错控制研究

针对航天器近距离操作过程中追踪航天器位姿控制系统执行器故障问题, 提出了一种直接自适应容错控制方法, 保证了追踪航天器在发生执行器故障下的自身稳定性和对目标航天器位姿状态的渐近跟踪性能. 基于对偶四元数的航天器位姿一体化控制系统模型, 首先, 假设故障已知, 设计标称控制信号; 然后, 设计自适应更新律对标称控制信号中的未知参数进行估计, 构成自适应控制信号; 最后, 利用多Lyapunov函数对多故障模式下的系统性能进行分析. 仿真结果表明了所提方法的有效性.     

Sliding Mode Control for Uncertain Switched Systems with Partial Actuator Faults

This paper considers the sliding mode control for a class of uncertain switched systems with partial actuator faults. By employing a weighted sum of the input matrices, a common integral sliding surface is designed. Moreover, the exponential stability of the sliding mode dynamics is analyzed by adopting the multiple Lyapunov function method and the average dwell time strategy. It is shown that the state trajectory can be driven onto the proposed sliding surface despite the presence of parameter uncertainties, external disturbances, and actuator faults. A numerical example is given to demonstrate the effectiveness of the proposed method.     

滑模变结构理论在船舶柴油机燃油温度控制系统中的应用

为了实现对双输入非线性温度系统的控制,建立了船舶柴油机燃油温度系统的数学模型,并把该模型当作一类仿射非线性系统进行研究。运用滑模变结构控制理论,设计了一种针对仿射非线性系统的滑模控制器,实现了双输入双输出非线性耦合温度系统的控制。通过在组态王(KINGVIEW)环境下编制控制软件,实现了对柴油机高、低温燃油的温度控制。实验的结果显示了滑模变结构控制算法优于PID控制,并且有自适应能力强,动态、静态品质优良,鲁棒性好的特点。     

无刷直流电机的神经滑模变结构控制

针对工业控制中对无刷直流电机位置控制的高精度要求,研究了滑模变结构控制和神经网络相结合的控制方法.为了消除滑模变结构控制方法中存在的抖振缺点,提出了一种神经滑模控制方法.方法首先设计了一个二阶时变滑模面,使系统的初始状态就在滑模面上,可以增强系统的鲁棒性.然后,通过径向基函数神经网络学习电机的负载、干扰等参数,使滑模控制的切换控制项能随着负载参数的变化而变化,削弱了滑模变结构控制的抖振.对上述方法进行仿真,结果证明了上述方法的有效性,为无刷直流电机优化控制提供了有效手段.     

Sliding mode control for time-varying delayed systems based on a reduced-order observer

In this paper, a stabilisation problem for a class of nonlinear systems is considered, where both the nonlinear term and the nonlinear uncertainty are mismatched and subject to time-varying delay. Under the assumption that the delay is known, a reduced-order observer is designed using an appropriate transformation. A sliding surface is proposed in an augmented space formed by the system outputs and the estimated states. The sliding mode dynamics are derived using an equivalent control approach, and the Lyapunov-Razumikhin approach is exploited to analyse the stability of the sliding motion. Then, a sliding mode control law is developed such that the system can be driven to the sliding surface in finite time. A simulation example shows the effectiveness of the proposed approach.