基于自适应滑模的重复使用运载器容错控制

针对重复使用运载器(RLV)等类飞行器存在外界干扰和执行机构故障等情况,提出一种基于姿态跟踪容错控制方法。在正常的运行模式下,姿态跟踪控制采用连续四元数反馈控制器。当系统中出现故障时,飞行器姿态将偏离参考轨迹,此时触发控制系统中滑动模态反应,使系统具有鲁棒性。通过选取适当李雅普诺夫函数,证明了所提出的控制律在存在故障的情况下是渐近稳定的。针对由于传感器干扰滑模面非零而导致的增益渐增,以及控制器性能下降问题,设计了一种具有自适应参数的自适应滑模控制律,使增益能够收敛到合理上界。最后,选取重复使用运载器再入段为对象进行仿真验证。仿真结果表明,采用有自适应滑模参数的控制系统,四元数跟踪误差能够达到10~(-4)量级。     

基于扰动观测器的卫星姿态控制系统自适应有限时间容错控制

针对具有状态时变时滞、系统不确定性、可建模扰动、运行噪声和执行器故障的卫星姿态控制系统,提出一种基于扰动观测器的自适应有限时间复合主动容错控制策略。针对可建模扰动设计扰动观测器,然后基于扰动估计误差设计了主动容错控制器。该时滞依赖控制器包含反馈控制项、扰动补偿项和快速自适应故障补偿项。提出的容错控制策略不仅保证闭环系统动态方程的有限时间有界性,而且保证闭环测量输出对于系统不确定性、运行噪声、执行器故障等的鲁棒性。给出控制器增益限制矩阵存在的充分条件及其线性矩阵不等式形式,进而给出仿真算例。仿真结果表明,基于扰动观测器方法,设计的自适应有限时间容错控制器能够快速估计可建模扰动,进而有效地实现系统的闭环容错控制。相较于基于非复合的自适应有限容错控制器,提出的方法对于状态变量的估计均方根误差分别降低了28.9%、4.7%和36.0%;对于可建模扰动估计的均方根误差降低了38.8%。仿真验证了所提方法的有效性。     

航天器有限时间自适应容错姿态控制

针对存在执行器故障、转动惯量偏差以及外部扰动等系统不确定性的航天器姿态跟踪问题,提出一种有限时间自适应容错姿态控制方法。建立基于四元数的航天器姿态动力学模型、执行器故障模型和系统不确定性模型,并将执行器故障分为乘性故障和加性故障两大类;利用滑模控制和有限时间控制理论设计有限时间姿态控制器,并通过设计自适应变量及更新方法对执行器故障以及系统不确定性引起的控制偏差上界进行估计和补偿,使姿态控制器对故障和扰动具有良好的适应性和鲁棒性。得到的新型有限时间自适应容错姿态控制器能够保证航天器在执行器故障以及系统不确定性条件下在有限时间内精确收敛到期望值。利用Lyapunov稳定性理论证明了系统的渐进稳定性和有限时间稳定性,数值仿真验证了所提出方法的可行性和有效性。     

ATTITUDE CONTROL TECHNOLOGY FOR MASS MOMENT NANO-SATELLITE IN LOW EARTH ORBIT 1)

针对气动力矩严重影响低轨纳卫星姿态控制效果的问题,创新性地提出了利用质量矩技术将气动干扰转化为控制力矩的解决方法.由于气动力矩矢量垂直于大气来流速度方向,因而采用质量矩与磁力矩相结合的方式三轴全驱动控制卫星姿态,从而避免系统欠驱动. 建立双执行机构控制方式的姿态动力学模型,并根据各干扰项的影响简化了控制方程.针对气动力不确定、星体参数误差、未知环境影响等复杂干扰,设计了针对理想控制力矩基于干扰观测器的滑模控制器. 为减小滑块附加干扰力矩,研究了理想控制力矩的最优分配策略. 最后, 为双执行机构搭建了半物理仿真平台,结果表明: 姿态机动过程中, 与滑块加速度相关的附加惯性力矩远大于其他干扰项,最优力矩分配策略能够大幅减小快时变的附加干扰, 优化效果明显; 姿态保持过程中,干扰观测器能有效观测系统慢时变干扰, 提高滑模控制律的姿态控制精度,姿态角收敛误差小于$\pm $0.1$^\circ$.最终验证了在低轨纳卫星上利用质量矩技术控制姿态的可行性.     

低轨纳卫星质量矩姿态控制技术研究

针对气动力矩严重影响低轨纳卫星姿态控制效果的问题,创新性地提出了利用质量矩技术将气动干扰转化为控制力矩的解决方法.由于气动力矩矢量垂直于大气来流速度方向,因而采用质量矩与磁力矩相结合的方式三轴全驱动控制卫星姿态,从而避免系统欠驱动. 建立双执行机构控制方式的姿态动力学模型,并根据各干扰项的影响简化了控制方程.针对气动力不确定、星体参数误差、未知环境影响等复杂干扰,设计了针对理想控制力矩基于干扰观测器的滑模控制器. 为减小滑块附加干扰力矩,研究了理想控制力矩的最优分配策略. 最后, 为双执行机构搭建了半物理仿真平台,结果表明: 姿态机动过程中, 与滑块加速度相关的附加惯性力矩远大于其他干扰项,最优力矩分配策略能够大幅减小快时变的附加干扰, 优化效果明显; 姿态保持过程中,干扰观测器能有效观测系统慢时变干扰, 提高滑模控制律的姿态控制精度,姿态角收敛误差小于$\pm $0.1$^\circ$.最终验证了在低轨纳卫星上利用质量矩技术控制姿态的可行性.      

基于扰动观测器的AUV固定时间积分滑模控制方法

针对自主水下航行器（AUV）在参数不确定性和外界干扰下水平轨迹跟踪控制问题，提出一种基于扰动观测器的固定时间积分滑模控制方法。首先将参数不确定性和外界干扰视为复合扰动，设计固定时间扰动观测器对其进行估计。然后在反步法设计框架下，结合固定时间理论和全局积分滑模控制，设计了固定时间积分滑模控制器。轨迹跟踪仿真结果表明，相比于传统滑模控制器，所设计的扰动观测器和控制器可以使位置和姿态的跟踪误差收敛至零域的速度由5.2 s缩短至约2.5 s，并且在没有观测器的帮助下跟踪误差也能收敛至稳定，具有更快的收敛速度和更高的鲁棒性。     

基于指数收敛的四旋翼无人机鲁棒自适应飞行控制

针对四旋翼无人机鲁棒自适应飞行问题,提出了一种基于指数收敛的控制方法。考虑到四旋翼系统的欠驱动、强耦合等非线性特性,采用线性化反馈控制策略实现对其轨迹追踪飞行能力的基本控制;针对线性化反馈控制易受系统内外部未知干扰等影响,采用基于指数收敛干扰观测器组合控制设计,实现四旋翼飞行的鲁棒与自适应控制;线性反馈及状态观测器控制系统基于指数收敛稳定。进行了仿真分析,结果表明,干扰观测器对四旋翼系统中存在的未知干扰具有很好的估计能力,所设计的基于指数收敛控制系统,结构简单,且具有较强的干扰抑制能力和较高的系统稳定性,满足四旋翼无人机的鲁棒及自适应飞行能力要求。     

基于线性矩阵不等式的离散系统集成故障估计与容错控制

离散系统在进行故障估计与容错控制时,由于两者相互耦合,会产生较大的故障估计误差和系统输出误差。针对这一问题,提出了一种基于线性矩阵不等式的集成故障估计与容错控制方法。首先为系统设计了故障观测器和容错控制器,然后基于两者的耦合关系,建立了系统误差和状态的增广系统模型;其次,基于D-稳定引理和H_∞控制理论为增广系统设计控制器,进而利用线性矩阵不等式求得故障观测器和容错控制器的增益矩阵,实现多性能约束条件下的集成故障估计与容错控制。最后以飞行控制系统验证了所提方法的有效性,与传统分离设计方法相比,故障估计误差减小了66.7%,估计的快速性提升了70%。     

柔性空间机器人快速终端滑模容错抑振控制

针对基座与臂杆存在柔性且执行机构发生故障的自由漂浮空间机器人系统,设计了快速终端滑模容错抑振控制器。结合线性弹簧假设、欧拉-伯努利梁理论和假设模态法提取了系统的柔性特征,利用拉格朗日方程推导出柔性基、柔性臂空间机器人系统的动力学模型;基于双幂次非奇异快速终端滑模为系统设计了有限时间容错控制器,采用Lyapunov函数法证明了闭环系统的稳定性;在此基础上,引入混合轨迹对容错控制器进行修正,进而构造出基于虚拟控制力的有限时间容错抑振控制器,实现对空间机器人载体姿态与关节轨迹的快速跟踪控制及基座与臂杆柔性振动的有效抑制。仿真结果表明,相较于无容错机制的计算力矩抑振控制算法,所设计算法的轨迹跟踪误差收敛速度提升了68.75%,弹性基座的振幅减小了78%,限定在1.1×10^-4 m之内。     

一类不确定广义系统故障估计的有限时间鲁棒观测器设计

针对一类具有不确定性的广义系统,提出一种故障估计观测器设计方案。该观测器具有非奇异结构,不仅保证增广误差系统动态方程满足有限时间有界性条件,而且保证故障估计误差对于扰动在有限时间内具有鲁棒性。首先,视故障为系统部分状态变量,建立增广广义系统模型。之后,从有限时间分析增广误差系统的有界性,讨论故障估计误差对于扰动的有限时间鲁棒性;然后,给出观测器增益限制矩阵存在的充分条件,并给出该限制矩阵的线性矩阵不等式形式。最后,基于具有不确定性广义系统的卫星姿态控制系统,针对系统发生的执行器及传感器故障进行仿真,以验证设计方案的有效性。仿真结果表明,设计的有限时间鲁棒观测器不仅能够精确估计系统的故障值,而且能够有效估计耦合于故障的系统状态值:相较于指数稳定观测器,所提出的观测器对于状态变量的估计均方根误差降低了25%以上;对于故障估计的均方根误差降低了50%以上。仿真验证了该方法的有效性。     

基于状态观测的双臂空间机器人分散容错控制

针对关节执行器发生部分失效故障的双臂空间机器人系统的控制问题,设计了一种基于状态观测器的自适应分散神经网络容错控制器。结合拉格朗日第二类方法建立了空间机器人系统的动力学方程。根据分散理论将空间机器人执行器故障的容错问题转化为参数不确定的非线性交联系统的自适应控制问题。利用状态观测器得到了系统的角速度信号,通过自适应分散神经网络对系统的不确定项与交联项进行估计。基于Lyapunov函数法给出了观测器与控制器的稳定性判据。数值仿真表明,无论执行器是否发生故障,该控制器均可以在2 s内实现高精度的轨迹跟踪控制,且观测器均能精准地估计关节的实际角速度信号,从而验证了理论分析的正确性与算法的可行性。     

可重复使用运载器大姿态机动自抗扰控制

针对可重复使用运载器大俯仰角或偏航角转弯机动而产生的姿态角奇异的控制问题,提出了基于四元数的自抗扰控制方法。通过两级跟踪微分器从期望四元数中逐步得到三通道解耦的角加速度信号,然后利用扩张状态观测器观测模型中的不确定项,最终采用动态逆得到解耦的三通道发动机等效摆角或RCS(Reaction Control System)等控制信号,并设计了数字滤波器对弹性振动与液体晃动信号进行滤波处理。考虑到系统模型具有非线性、不确定性、11阶弹性振动、一阶液体晃动、风干扰和气动偏差等多种外部扰动条件,对可重复使用运载器从主动段到再入飞行段进行了非线性六自由度仿真分析。仿真结果表明,基于四元数的自抗扰姿态控制器具有快速、平稳、超调量小、抗干扰能力强、无系统抖振且控制参数较少的特点。     

基于姿态角估计的四旋翼飞行器多传感器故障诊断方法

针对无法直接测量得到姿态角的四旋翼飞行器多传感器偏差故障检测与诊断问题,提出一种基于姿态角估计的多传感器故障同时发生的故障检测与隔离以及故障偏差值估计的方法。首先,在考虑模型误差的前提下,建立四旋翼飞行器动力学模型和传感器模型,构建四旋翼飞行器故障检测与诊断系统。其次,在利用基于滑模观测器得到姿态角估计值的基础上,设计非线性故障观测器对故障进行检测与隔离。最后,构建非线性自适应观测器实现未知故障偏差值的估计,并证明自适应律的稳定性和参数收敛性。实验结果表明,该方法能实现多传感器偏差故障检测与隔离,并在5 s之内实现对传感器多故障偏差的估计与跟踪,且估计误差有界,该方法有效性得以验证。     

考虑执行器性能约束的高速列车容错跟踪控制

针对高速列车受到执行器故障、输出幅值和变化率饱和等执行器性能约束,模型参数不确定性, 以及附加阻力干扰等影响下的跟踪控制问题,设计了一种鲁棒容错跟踪控制算法。首先,基于双曲正 切函数构造的辅助系统,构建了高速列车的增广速度跟踪控制模型;其次,为避免控制器中出现虚拟 控制信号的一阶导数,采用动态面方法并结合自适应控制技术,设计了高速列车的容错跟踪控制器, 基于 Lyapunov 函数对控制器的稳定性进行了分析;最后,对设计的容错跟踪控制算法进行了仿真验 证。仿真结果表明,控制输入及其变化率均满足所设置饱和约束的要求;列车运行中的暂态速度和位 移跟踪误差分别在 0.016 m/s 和 0.003 m 范围内,从而验证了所设计控制器的良好容错跟踪性能。     

基于反演滑模的机动飞行器横向回路控制设计

针对再入机动飞行器模型的参数不确定性以及外界干扰对飞行器控制性能的影响,基于反演控制和滑模控制理论,结合飞行器的动态特性要求,设计了一种基于标称模型的再入机动飞行器横向回路姿态控制方案,并基于Lyapunov方法,给出了整个系统的稳定性证明。控制系统阶跃响应仿真结果表明:系统响应无超调,调节时间为0.6 s,稳态误差为1%,优于指标要求的超调量15%,调节时间1 s,稳态误差5%,证明所提方法对模型参数大范围摄动具有强鲁棒性,且在较大程度上提高了系统的动态性能,最终达到姿态指令的快速高精度跟踪效果。     

航天器有限时间饱和姿态跟踪控制

针对刚体航天器系统,对存在模型不确定性、外界干扰力矩和控制器饱和等条件下的姿态跟踪控制问题进行了研究。首先,考虑未知模型不确定性和外界干扰,且总干扰上界为未知常数,结合快速非奇异终端滑模、快速终端滑模趋近律以及辅助系统构造了基本的鲁棒有限时间饱和控制器,并通过辅助系统直接补偿了控制器饱和;其次,针对系统总干扰具有多项式上界的情形,进一步结合自适应控制算法,对其上界函数中的未知参数进行在线估计,并设计了自适应有限时间饱和控制器。同时,基于Lyapunov稳定性理论证明了所提出控制算法的有限时间收敛特性。最后,通过数值仿真验证所提出控制算法的控制效果,在两种控制器作用下姿态的跟踪精度分别为5×10-5和1×10-5,证明了所提出控制算法的有效性。     

基于输入成型的挠性航天器自适应姿态控制（英文）

针对快速调姿挠性航天器的姿态控制问题,提出一种基于输入成型的自适应姿态控制方法,解决俯仰、偏航、滚转三通道的控制耦合问题,抑制航天器挠性振动、提高姿态控制精度。首先,建立了考虑弹性振动、执行器故障及惯量不确定性的挠性航天器姿态动力学模型。基于欧拉轴角提出一种姿态机动参考轨迹设计方法,避免了俯仰、偏航、滚转三通道的耦合问题。通过多模输入成型方法对姿态机动参考轨迹进行修正,以抑制航天器弹性振动。采用自适应容错控制方法对修正后的参考轨迹进行跟踪,以实现挠性航天器快速姿态机动任务。数值仿真结果表明,与传统PD姿态控制方法相比,所提出的基于输入成型的挠性航天器自适应姿态控制方法可将残余弹性振动幅值和姿态控制偏差降低两个数量级,验证了该方法的有效性。     

航天器编队系统相对位置自适应分布式控制

针对具有参数不确定性以及外部扰动的航天器编队飞行队形跟踪控制问题,基于反步控制策略提出了一种能够实现控制有界的自适应编队控制方法。首先建立航天器相对运动的非线性动力学方程,在不考虑外部干扰情况下,利用饱和函数设计了输入有界的自适应协同控制器;之后进一步考虑存在外部干扰的情况,通过估计扰动上界设计了鲁棒自适应协同控制器,并且采用Lyapunov稳定性分析方法证明了控制系统的稳定性。数值仿真结果表明,提出的控制方法能够满足控制受限并实现航天器队形的协同控制,同时在大约100 s误差收敛到0附近,队形跟踪和队形保持的稳态误差分别小于0.002 m和0.005 m。     

基于无迹粒子滤波的飞行器再入段传递对准方法

针对再入式飞行器再入返回前需要精确和快速的传递对准需求以及空间环境特殊性,提出了一种适用于再入式飞行器空间平台对准方法,建立J2000坐标系下光纤陀螺惯组的系统状态方程,利用星敏感器输出的姿态和光纤陀螺惯组输出的姿态差值作为观测量,实现飞行器的"姿态"匹配传递对准算法。针对系统状态方程和量测方程的非线性特性以及单独使用无迹卡尔曼滤波(UKF)方法存在滤波不稳定性和单独使用粒子滤波(PF)方法存在粒子退化导致估计误差变大的问题,提出了无迹粒子滤波(UPF)算法,采用卫星工具包(STK)软件模拟飞行器在轨运行进行仿真验证。仿真结果表明:该方法可以在3s内使得失准角的估计误差小于0.6',估计精度提高了30%,收敛时间缩短了70%,相比传统方法提高了对准的精确性和快速性。     

并联机器人模型参考变结构控制研究

为了抑制并联机器人建模中不确定性因素对系统性能的影响,采取了基于参考模型的变结构控制策略。以系统状态误差始终指向滑动模态且具有李雅普诺夫意义下渐近稳定的动态品质为目标设计控制量,抑制不确定性因素对系统性能的影响。通过对参考模型和滑动模态运动进行极点配置,使系统状态误差在状态空间中更快速地收敛于原点。实例将球面三自由度并联机器人用作跟踪飞行器姿态定位平台的执行机构,设计出跟踪偏差的检测方案。仿真结果表明,基于参考模型的变结构控制方法对系统的不确定性因素引起的参数变化及外界扰动具有较好的控制效果,在变结构不确定性控制量作用下,系统在0.6s后,姿态角跟踪误差控制到0.0001°的范围内。