基于ASTSMO和UIO的故障估计方法

针对系统在有未知干扰情况下的故障估计问题，提出一种基于自适应Super-Twisting滑模观测器（ASTSMO）和未知输入观测器（UIO）的故障估计方法。不需要已知故障导数的上界，避免了现有自适应算法存在的滑模增益过估计问题，并且能够处理多执行器同时发生故障的情况。首先，通过非奇异变换将原系统降阶为两个子系统，其中一个子系统只受故障的影响，另一个子系统同时含有故障和不确定干扰。对两个子系统分别设计ASTSMO观测器和UIO观测器，并对误差系统有限时间内收敛的条件进行了证明，同时给出了滑模增益初始值和时变增益的设计方法。然后，基于等效控制的概念对故障进行检测和估计。最后，通过仿真算例验证了所提故障估计方法的有效性。      

四旋翼无人机的自适应容错控制

针对四旋翼无人机执行机构部分失效故障和传感器偏差问题,为了可靠,安全、稳定的飞行,采用自适应容错控制策略.当无人机飞行时,利用二阶卡尔曼滤波器在线快速估计状态、检测执行器故障和传感器偏差,当执行器故障检测和诊断出来后,将故障因子视为自适应因子,用来调节自适应容错控制器的参数,使故障影响变小,同时估计传感器的偏差,如有偏差,则将偏差部分补偿给输出信号.在Matlab实验平台上对所提方法的可行性和有效性进行仿真验证,结果表明四旋翼无人机执行机构在发生部分失效故障和传感器偏差时,采用自适应容错控制策略,输出信号能够快速跟踪参考输入信号,实现了对四旋翼无人机的容错控制.     

四旋翼无人机执行器可重构性量化评价方法研究

随着对系统安全性和可靠性要求的不断提高，故障系统的自主恢复能力即系统的可重构性受到高度关注，然而现有对于控制系统可重构性量化评价的方法主要针对线性系统，因此以具有强耦合、欠驱动、强非线性的四旋翼无人机（quadrotor UAV）为被控对象，提出了一种基于双滑模面鲁棒观测器与马氏距离结合的非线性系统可重构性量化评价方法。首先，在四旋翼无人机非线性模型的基础上，设计了具有对扰动和故障均不敏感的双滑模面鲁棒观测器，用于实现对系统状态的准确估计；其次，在执行器饱和及系统状态误差指标双约束条件下，采用基于马氏距离的相似度法，对非线性系统可重构性进行量化评价；最后，通过四旋翼无人机仿真实验验证了所提方法的有效性。结果表明，所提方法能够真实反映不同故障程度下系统的可重构性量化水平，为非线性故障系统控制策略调整补偿提供了重要依据。      

动力学参数未知的四旋翼无人机预定性能控制

针对具有外部气流干扰、空气阻力和时变负载的不确定四旋翼无人机，考虑动力学参数未知的情况，基于自适应动态表面控制框架，提出了一种新的双闭环预定性能控制方法。将四旋翼无人机系统解耦为双环，即外环位置子系统和内环姿态子系统，内外环通过姿态提取算法连接。分别针对位置和姿态子系统，利用自适应方法对系统的未知动力学参数、空气阻力和外界干扰进行估计，同时引入新的坐标变换作用于跟踪误差，基于Lyapunov稳定理论，提出预定性能控制器设计方法，使闭环系统跟踪误差一致最终有界稳定，且整个动态过程中满足暂稳态性能要求。所提方法克服了系统动力学参数和负载精确已知的局限性，避免了预定性能控制设计中复杂的求逆过程。通过仿真实例验证了所提方法的有效性和优越性。     

基于NUIO的无人机作动器故障检测

针对受未知气流干扰与随机噪声影响的无人机纵向系统进行作动器故障检测研究.在建立固定翼式无人机非线性系统纵向模型的基础上,设计了基于容积卡尔曼滤波(CKF)的非线性未知输入观测器(NUIO).通过构造未知输入观测器结构来解耦未知气流干扰对残差的影响,同时,CKF被算法用于求解观测器增益矩阵,实现了在未知气流干扰解耦情况下残差对随机噪声的鲁棒性.最后,利用残差χ2检验方法判断故障是否发生.仿真结果表明:此方法能有效解耦未知干扰对残差的影响,并快速、准确地检测出了无人机作动器故障.      

未知区域中四旋翼无人机集群协同搜索与围捕算法

四旋翼无人机集群可以被用来进行区域侦察,以建立对环境与兴趣目标的认知。为四旋翼无人机集群提出一种分布式协同搜索算法和动态目标包围技术，以解决在未探测区域定位和监测目标中所遇到的挑战。为降低所提算法的复杂度，通过栅格划分方法将任务区域划分为2级栅格子区域。考虑到动态目标的随机性，设计一种数字信息素来引导多无人机对任务区域进行2次搜索，并以快速搜索到目标为奖励函数，通过滚动优化决策得到最优解作为无人机的输入。然后，基于一致性协议设计一种多无人机协同跟踪与围捕协议，以获取动态目标的实时信息。数个仿真结果与室外飞行实验验证了所提算法能够使四旋翼无人机对未知区域中动态目标进行有效搜索与动态监视。     

基于速度观测的双余度电液舵机系统容错同步控制

考虑飞机电液舵机活塞杆运动速度不易测量的情况，提出一种基于速度观测的容错同步控制策略，解决了双余度电液舵机系统（DREHAS）内泄漏共模故障（IL-CMF）下的位置跟踪控制问题。首先，通过引入2组参考轨迹并对模型进行线性变换，实现舵面位置跟踪与两舵机力输出同步控制解耦；其次，在扩展状态观测器（ESO）中加入故障参数自适应项，设计一种自适应扩展状态观测器（AESO）估计两通道舵机活塞杆速度和扰动，从而克服了故障条件下利用原系统模型设计ESO带来的估计结果不准确问题；最后，基于AESO的估计结果及故障参数在线更新结果，利用反步法设计了一种非线性容错同步控制器。Lyapunov稳定性分析结果表明，该控制方法可确保IL-CMF故障及时变干扰条件下，闭环系统所有信号有界，系统输出满足规定的性能要求。IL-CMF故障及常值干扰条件下，系统跟踪误差渐进收敛于零。仿真实验进一步验证了所提方法的有效性。      

基于嵌套饱和的四旋翼无人机吊挂负载控制器设计

针对四旋翼无人机吊挂负载系统飞行中的摆角抑制问题,考虑过快位置机动容易引起吊挂大幅度摆动,提出了一种基于嵌套饱和的四旋翼无人机吊挂负载控制器。首先,利用扩张状态观测器估计干扰,设计具有强抗扰能力的垂直位置控制器;其次,基于简化模型通过构建李雅普诺夫函数,设计控制摆角收敛的抑摆控制器;最后,基于一种嵌套饱和控制方法,设计了限制机动速度的水平位置控制器。与已有控制方法的仿真对比表明,该控制器不但能保证四旋翼无人机吊挂负载系统稳定飞行,还能在大幅度位置机动指令下有效减小最大摆幅。     

多四旋翼无人机系统分布式分层编队合围控制

针对带有多个领航者与跟随者的欠驱动四旋翼无人机群系统, 提出了一种分布式分层编队合围控制方法。设计分层分布式有限时间滑模估计器, 实现在仅有部分领航者获取到期望轨迹的条件下, 每架无人机都能生成其满足控制需求的估计位置信息。针对六自由度欠驱动四旋翼无人机模型的特点, 提出一种无人机位置层和姿态层的分层控制方法, 实现了无人机对所生成的估计位置的跟踪控制, 该方法采用高阶导数逼近算法, 防止在求解期望角速度的过程中出现微分爆炸。所提方法能在满足姿态稳定收敛的条件下实现有效的编队合围控制。通过数值仿真验证了所提方法的有效性。      

基于变量集结预测控制的四旋翼无人机控制器设计

针对四旋翼无人机路径跟踪问题，设计了一种基于变量集结预测控制的控制器。首先以四旋翼无人机状态空间模型为基础建立预测模型；接着设计控制器时采用分段集结的策略把控制量集结成三段优化序列以减少优化计算量，并降低优化保守性，为了进一步加强系统稳定性，控制器引入终端代价函数和终端约束；最后用四旋翼无人机的动力学模型作为被控对象进行仿真验证，结果表明：该控制器能使四旋翼无人机在三轴方向均能实现一个良好的路径跟踪效果。与传统方法相比，这种基于变量集结的预测控制策略能够减小在线优化量，更适合四旋翼无人机飞控芯片的应用。     

基于RBF带学习能力高精度非线性FDD设计

在轨航天器故障检测与诊断问题需要面对模型的非线性,而且要求尽量提高其检测的精度,为此设计了基于径向基函数（RBF）神经网络的动量轮非线性故障检测与诊断（FDD）方案。首先应用RBF补偿建模误差,提高检测精度,并选择李雅普诺夫函数证明其收敛性;然后应用非线性观测器来产生故障残差,给出了阈值以及故障检测的时间;应用RBF网络对故障信号进行重构,并据此设计了带学习能力的FDD策略。再次建立了详细的动量轮模型,通过不同条件下的仿真研究分别验证残差的阈值特性、时间特性以及RBF的重构能力,仿真结果表明了算法的有效性。     

一种自适应观测器设计和故障检测方法

利用模糊系统和径向高斯函数网络,设计一种具有自适应能力的模糊神经网络.用高斯函数表示模糊规则前件的隶属度函数,然后,构造一种递阶自组织在线学习算法,从输入输出样本数据中,通过学习提取模糊IF-THEN规则;在此基础上,提出一种非线性时变系统的自适应状态观测器设计和故障检测方法,并对其结构及特征进行了讨论,仿真结果表明,这种自适应状态观测器能很好地观测系统的状态,并能有效地应用于系统的故障检测.     

基于自适应的月球着陆器悬停避障方法

摘要： 考虑质量和推力不确定性,月球着陆器在悬停避障时将难以快速稳定到设计高度.为解决此问题,提出一种基于自适应的高精度悬停避障方法,其核心是利用位置测量作为观测器的输入,对质量和推力不确定性进行快速估计和补偿.与基于PID的方案相比,该方案具有估计速度更快的优点,能够快速实现高精度的悬停避障控制.最后对所提方法给出仿真验证.     

导弹增量式自适应容错控制系统设计

导弹在实际飞行中存在气动参数不确定、执行机构故障等问题,从而对导弹飞行控制系统稳定性与操控能力造成严重影响。为此,设计一种增量式自适应容错控制方法,在实现导弹安全控制的同时,兼顾姿态控制算法时效性与可靠性。建立面向控制的三通道耦合姿态动力学模型;考虑系统不确定性和执行机构故障,基于增量式动态逆方法设计导弹被动容错控制律;基于自适应滑模控制与增量式动态逆方法,设计增量式动态逆自适应容错控制律,并对系统残差进行分析比较;通过某典型全弹道姿态跟踪任务,验证舵面故障下的姿态跟踪特性。仿真结果表明:所提方法在故障未知的情况下,能够保证飞行控制系统的鲁棒性与容错能力,实现导弹的安全可靠控制。      

基于观测器的传感器故障检测与信号重构方法

针对含未知有界干扰输入的线性系统进行传感器故障检测研究.通过对输出信号进行非奇异线性变换,将传感器故障等效转化为执行机构故障,提出对干扰具有鲁棒性、对故障具有敏感性的残差生成方法,设计滑模观测器进行残差估计,实现对传感器故障的检测,得到对传感器故障信号的精确估计,并实现对传感器信号的重构.基于飞机纵向小扰动模型,对于传感器的缓变偏差、突变偏差、完全失效和反相等故障的信号重构仿真结果都表明了该方法的有效性.     

转动惯量存在不确定性的挠性航天器动态自适应滑模姿态控制

针对存在转动惯量不确定性和外部干扰的挠性航天器,首先构造了一个部分状态观测器估计挠性模态,然后设计自适应律对转动惯量不确定性和外部干扰组成的函数的上界进行估计。最后,在设计的观测器和自适应律的基础上,建立了挠性航天器的基于部分状态观测器的自适应滑模姿态稳定控制律。采用Lyapunov方法证明了在挠性航天器存在转动惯量不确定性和外部干扰时, 所设计的自适应滑模姿态控制律能使闭环航天器姿态系统稳定。最后, 通过数值仿真例子验证了所提出方法的有效性。     

基于降维观测器的最优故障诊断算法研究

为降低诊断算法的计算量,优化算法参数,设计了一种基于降维观测器的最优故障诊断算法。首先,利用正交原理,将故障状态与系统状态进行解耦,从而构造了用于故障估计且无需进行矩阵分块运算的降维观测器。其次,基于对偶原理,将诊断算法的增益优化问题转化为诊断误差方程对偶系统的最优控制律设计问题,从而实现了对故障的最小方差估计。然后,利用诊断结果设计了基于故障补偿思想的容错控制律,以此实现了系统与故障的隔离。最后,通过数值仿真验证了所提方法的有效性。结果表明,对于二阶系统,该诊断算法可在7s内快速收敛到故障真实值。     

飞行器网络控制系统故障检测与时域优化

针对存在马尔可夫短时延和丢包的网络环境,研究了飞行器网络控制系统的故障检测系统设计与优化问题.将含有上述问题的网络化控制系统建模为离散的马尔可夫跳变系统.在此基础上,基于观测器构建残差生成器,将故障检测问题转换成H_∞滤波问题,以LMI（Linear Matrix Inequality）的形式得到并证明了故障检测滤波器存在的充分条件和求解方法.为进一步改善检测性能,提高检测系统对故障信号的灵敏度,采用一种时域优化方法对残差评估函数进行优化处理,并给出了该优化问题最优解的求解方法.数值仿真说明了所提方法的有效性.      

变时延网络控制系统的鲁棒故障检测

针对具有时变时延的网络控制系统故障检测问题,提出了一种基于鲁棒H_∞思想的故障检测滤波器设计方法.将鲁棒H_∞故障检测问题归结为寻找滤波器参数矩阵,使得滤波系统内稳定并且满足鲁棒H_∞性能指标.根据残差评价函数和故障阈值判断系统是否存在故障.假设时变时延的上下界已知.基于时延相关Lyapunov-Krasovskii泛函方法给出了系统内稳定并且具有H_∞指标的时延相关条件.在外部控制输入、外界干扰和故障信号有界的情况下,所设计的故障检测滤波器能够保证生成的残差信号有界.针对HiMAT（Highly Maneuverable Technology）飞行器设计了故障检测滤波器,并通过仿真分析验证了所提出方法的有效性.     

基于比例积分强跟踪滤波器的故障估计

研究了线性系统执行机构和敏感器的故障估计方法．基于比例积分观测器具有同时估计系统状态和故障大小的能力,将比例积分观测器和强跟踪滤波器相结合,组成比例积分强跟踪滤波器来估计执行机构和敏感器故障,这种方法增强了对突变故障的快速跟踪能力．在系统发生故障时,比例积分强跟踪滤波器不仅能够快速检测、定位故障,而且还能估计出故障的大小．以某卫星为例,将此方法应用于推力器和陀螺的故障估计,并通过仿真验证了这种方法的有效性．