基于快速终端滑模的航天器自适应容错控制

针对存在不确定的执行机构部分失效故障和未知外界扰动的航天器姿态跟踪控制问题,提出了一种基于自适应快速终端滑模控制的容错控制方法。在没有故障检测与诊断信息的情况下,采用快速终端滑模控制原理,利用自适应算法在线估计得到的故障信息,设计具有鲁棒性的容错控制器,使系统在执行机构故障发生时,能在有限时间内以指数收敛,实现系统有限时间渐近稳定,以及对航天器的容错控制和干扰的抑制。仿真结果表明,与基于普通滑模控制器的容错控制相比,该方法在保证系统鲁棒性和可靠性的同时,具有更快的收敛速率,实现执行机构故障时有效的航天器姿态跟踪控制。     

考虑执行机构故障的运载火箭自适应滑模容错控制

针对执行机构故障下的运载火箭姿态指令跟踪问题，在考虑内部未建模动态、外部不确定干扰等因素的影响下，设计了一种基于新型扩张状态观测器(ESO)的自适应滑模容错控制器。首先，基于一种新型级联降阶扩张状态观测器，对系统的未建模动态、外部干扰等不确定性进行估计。在此基础上，结合滑模控制理论，设计了一种固定时间收敛的自适应滑模控制律，能够获得观测器干扰估计误差的上界信息，同时消除滑模控制的抖振现象。通过李雅普诺夫方法证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明，所提出的基于新型扩张状态观测器的自适应滑模容错控制器在执行机构故障情况下仍具有较好的跟踪性能和抗扰能力。     

基于特征提取的容错控制及其应用

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。     

一类非线性系统的故障诊断与容错控制集成设计

研究一类非线性系统故障诊断与容错控制的集成设计问题。针对执行机构故障,结合反馈线性化理论、不变集理论以及鲁棒H∞控制理论,提出一种对执行机构故障具有完整性,并且能够迅速准确地诊断并隔离故障的故障诊断与容错控制集成设计方法。为了提高闭环控制系统的动态性能,完成了控制回路的极点区域部署设计。将该方法应用为卫星姿态控制系统的故障诊断与容错控制集成设计,仿真证明了该方法的有效性。     

基于系统特征的自适应被动容错控制及其应用研究

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行征和故障特征，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。     

基于归一化神经网络的航天器自适应姿态跟踪控制

针对以变速控制力矩陀螺（VSCMGs）为姿态控制执行机构的航天器在同时考虑惯性参数和执行机构不确定性情况下的姿态跟踪控制问题,提出了一种基于归一化神经网络的自适应姿态跟踪控制方法。设计一个非线性反馈控制器作为航天器姿态控制的基本控制器,利用归一化神经网络设计补偿控制器,用以在线估计和消除包含系统不确定参数的未知不确定函数的影响,避免了标准自适应控制方法需要进行大量不确定参数估计的缺陷。采用神经网络输入归一化技术,简化了闭环系统复杂的稳定性分析过程。理论分析证明了闭环系统的稳定性和姿态跟踪误差的收敛性。仿真结果表明,所提出的控制方法能满足航天器在惯性参数和执行机构不确定性及外干扰存在情况下的高精度姿态跟踪控制要求。
     

卫星轨道保持的分散容错控制

本文基于Ｈ＾∝最估理论和矩阵奇异值分解技术，对卫星轨道保持系统进行了分攻容错控制，提出了容许执行机构故障和传感器故障的两种分散控制律设计方法，可使卫星控制系统具有明显的容错能力。     

六轮摇臂式月球探测车协调驱动自适应模糊容错控制

为提高复杂和未知环境中六轮摇臂式月球探测车的驱动控制系统的可靠性,防止因执行器故障引起的月球车失控,提出一种基于滑转率的协调驱动自适应模糊容错控制方法。该方法用模糊逻辑系统逼近系统的未知动态和未知的故障函数,并通过所设计的误差补偿器来减少逼近误差对跟踪精度的影响。基于Lyapunov理论,证明了所设计的容错控制方案不但能使跟踪误差收敛到原点的小邻域内,而且通过适当增大设计参数的值,可使跟踪误差减小。此外,为便于应用给出了详细的容错控制器设计步骤,并对控制器中参数的选取给出了示例。仿真结果表明该控制律具有较高的控制精度,并且对外部干扰有很强的鲁棒性。

     

考虑执行机构故障的导弹姿态控制系统的集成容错控制

研究了一类发动机十字型布局的导弹姿态控制系统的容错控制问题,提出了一种考虑执行机构故障的导弹姿态控制系统集成容错控制方法。该方法针对执行机构的恒增益变化故障和卡死故障,首先提出了集成容错控制的总体策略,然后分别基于线性矩阵不等式方法和故障补偿思想,给出了在圆盘极点指标和H∞指标两个相容指标约束下的状态反馈满意容错控制器和故障补偿器的设计方法。最后在Matlab/Simulink环境下将该方法应用于导弹姿态控制系统进行仿真实验,结果表明了该方法的有效性和可行性。     

柔性关节空间机械臂传感容错无模型自适应控制

针对传感信号畸变、丢失等故障状态严重影响空间机械臂控制系统性能的问题,提出基于空间机械臂运动传感器故障观测的无模型自适应容错控制方法。采用动态线性化和递推参数估计思想设计传感故障监测器,实现对传感畸变及数据丢失等故障的判定,并进行运动状态预测估计;建立包含跟踪误差变化率项的无模型自适应控制准则函数,有效惩罚由传感故障引起的参数估计突变问题;设计面向柔性关节空间机械臂的新型传感容错无模型自适应控制（SFT-MFAC）算法。仿真结果表明,在不同传感故障情况下,所提控制策略均能快速准确识别传感故障信息,避免系统瞬时发散,有效延长系统响应时间,增加控制系统的鲁棒性。     

柔性空间机械臂的自适应H∞容错抑振混合控制

针对关节执行器存在部分失效(PLCE)故障的漂浮基柔性空间机械臂系统，提出一种自适应H∞容错抑振混合控制算法。结合拉格朗日法与弹性振动理论推导出了系统的动力学微分方程，并截取反映柔性臂杆主振型的前两阶模态作振动分析。根据奇异摄动原理对系统进行降维，并将其分解为一个刻画刚性臂杆轨迹跟踪的慢变子系统与一个刻画柔性臂杆模态振动的快变子系统；由此设计了由慢变子系统的自适应H∞容错控制器及快变子系统的线性最优减振控制器组成混合控制器。与传统容错控制器相比，所设计的自适应H∞容错控制器具有无需获取故障先验知识的优点。对比仿真结果表明：慢变子系统的容错控制器对于PLCE型关节执行器故障具备较强的鲁棒性，快变子系统的线性最优减振控制器能够将柔性臂杆的振动模态调节至较低水平，从而校验了理论分析的正确性与混合控制策略的有效性。     

采用观测器的偏置动量小卫星姿态容错控制

针对偏置动量小卫星的自主飞行问题，提出一种基于不确定项观测器的滑模容错控制方法。应用欧拉-拉格朗日系统的干扰观测方法设计不确定项观测器，对动量轮输出力矩变小、磁力矩器线圈电阻漂移等执行器故障以及小卫星外部环境力矩等不确定项进行估计，理论推导证明该观测器的观测误差一致最终有界(UUB)。基于不确定项观测器的估计值，设计补偿控制项，并与滑模控制器的控制力矩合成实现姿态容错控制。从理论上证明该容错控制方法能够使小卫星姿态快速收敛至滑模面。该容错方法无需做小角度假设，对执行器运行状态信息依赖性低。仿真结果表明，本文建议的容错控制方法具备可行性，实现了对小卫星姿控系统中不确定项的观测估计和容错控制。     

一种超静平台主动指向容错控制方法

针对超静平台主动指向控制中的作动器故障问题,提出一种超静平台主动指向容错控制方法。首先,基于超静平台的一般动力学模型,推导用于指向控制的解耦模型和标准解耦矩阵,将超静平台由高度耦合的复杂多输入多输出系统变为多个相对简单的单输入单输出系统,有利于控制器的设计和容错控制方法的引入;在此基础上,针对作动器的故障问题,提出指向控制重构策略,并建立新解耦矩阵;进一步,提出基于解耦矩阵条件数最小的冗余自由度选择方法;最后,进行了数值仿真分析。仿真结果表明：基于冗余自由度最优选择的主动指向容错控制方法能够最大限度地减少作动器故障对超静平台主动指向控制效果的影响。     

基于自适应模糊估计器的卫星容错控制系统

针对姿态控制系统出现故障对卫星稳定性和控制性能的不利影响,本文提出了一种基于自适应模糊故障估计器的全局动态滑模变结构容错控制算法。设计了一个自适应模糊估计器对系统中的故障函数在线进行估计,通过将估计所得的故障函数引入控制律中,对未知故障进行补偿。为了使得系统响应对外部干扰具有全局鲁棒性,本文为控制器设计了一种全局动态滑模面。采用Lyapunov方法证明了在线故障估计器和控制器的稳定性,并通过仿真进行了验证。仿真结果表明,故障估计器能够很好地对故障进行估计,保证控制器在故障情况下具有良好的动态性能;控制器对某卫星具有良好的控制精度,并且对外界干扰有较强的鲁棒性。     

低速巡飞弹非匹配干扰观测控制器设计

针对低速巡飞弹倾斜转弯控制系统的非线性、强耦合、不确定的特征,研究了一种基于干扰观测器的自适应反演控制方法。将参数摄动、外界干扰和执行机构的响应偏差分别等效进成系统的匹配干扰和非匹配干扰,并设计在有限时间内估计误差收敛的非线性干扰观测器进行估计。利用反演控制的思想,在虚拟控制量中抵消非匹配干扰,在实际控制量中抵消匹配干扰。利用李雅普诺夫理论设计自适应调节律补偿干扰观测器的估计误差,改进控制系统的瞬态性能。仿真结果表明,干扰观测器估计误差在有限时间内收敛到一定区间,系统能够有效地克服干扰的影响,快速准确地跟踪滚转角、攻角、侧滑角参考指令。     

受输入饱和约束的导弹直接侧向力/气动力

针对受输入饱和约束的直接侧向力与气动力复合控制的导弹,研究其自动驾驶仪设计问题。导弹的执行机构分别是舵机和侧向脉冲发动机。舵机提供的是连续的控制量,而侧向脉冲发动机提供的是离散的控制量。首先采用最优控制方法设计连续的舵控制器。再对设计好舵控回路的新受控弹体,基于含有界干扰项离散饱和系统不变集分析方法进行直接侧向力控制器的设计。设计过程中,充分考虑了舵偏角的饱和非线性因素以及侧向脉冲发动机点火数取整产生的量化误差。最后,利用数值仿真验证了所提出控制方法的有效性。     

转动惯量未知的再入飞行器姿态容错控制

针对升力式再入飞行器再入过程中执行机构发生故障的情况，基于反步法思想，设计了一种无需飞行器转动惯量信息的姿态容错控制律，同时，该控制律能有效地抑制外界干扰。控制律的设计除了给出稳定性证明外，还给出了误差上界与控制参数的关系。以临近空间飞行器X-33为模型进行了数学仿真，结果表明了该控制律的有效性。