基于鲁棒故障观测器的非线性离散系统容错控制设计

针对存在执行器故障以及未知干扰的非线性离散系统,提出了一种鲁棒故障估计与容错控制方法。首先在未知系统干扰作用下,设计鲁棒故障观测器实现系统状态和执行器故障的同步估计;然后根据鲁棒故障观测器得到的系统状态估计和故障估计信息设计容错控制器,进行状态反馈容错控制,同时基于D稳定与H_∞控制理论对鲁棒故障观测器和容错控制器进行设计,实现了多约束条件下的故障估计与容错控制;最后用飞行控制系统模型验证了所提方法的有效性。     

具有Lipschitz非线性系统的航天器故障检测

对存在未知干扰的Lipschitz非线性系统,探讨了基于滑模观测器的执行器故障检测的方法。通过等价状态变换,可以得到2个子系统,其中一个子系统与执行器故障和未知干扰耦合,而另一个子系统则只与执行器故障耦合。在此基础上,提出了一种免受未知干扰影响,可对执行器故障敏感的滑模观测器设计方法。这种滑模观测器可以作为故障检测工具,而将其输出估计误差作为残差发生器,用于执行器故障检测。相比滑模观测器的故障重构方法,该方法大大放宽了对数学假设条件的要求。最后,对一个大攻角状态下的航天器的简化模型进行了数字仿真,仿真结果表明了所提方法的有效性。     

双重未知干扰解耦的多传感器系统偏差校正与状态估计

具有未知干扰输入的随机系统状态估计问题广泛存在于控制、通信、信号处理和故障诊断等领域,但目前的研究成果大多局限于单传感器动态离散系统。针对状态方程含有未知干扰、量测方程含有未知偏差的多传感器系统状态估计问题开展了研究,提出了一种双重未知干扰解耦下的最小方差无偏估计滤波器。首先,建立量测偏差通用演化模型;然后,解耦偏差演化模型中的未知输入,设计最小方差无偏估计器对量测干扰偏差进行估计;之后,利用估计出的量测偏差来校正动态系统测量值;最后,根据量测偏差校正后的系统模型设计最优状态观测器,获得具有最小方差无偏的状态估计。径向飞行控制系统的例子验证了所提方法的有效性,与相关方法的仿真对比反应了所提方法的优越性。     

基于神经网络的MIMO非线性最小相位系统鲁棒自适应控制

 针对一类模型未知的具有不确定性和外部干扰的多输入多输出（MIMO）非线性最小相位系统提出了鲁棒自适应输出反馈跟踪控制方案。用高斯径向基函数（RBF）神经网络逼近对象未知非线性,用高增益观测器估计系统不可测量状态。所设计的鲁棒自适应控制器不仅能使闭环系统稳定,所有状态有界,而且跟踪误差一致最终有界,并保证最终边界足够小。仿真结果表明了所提出方法的有效性。     

超低空空投航迹倾角自适应跟踪控制

针对超低空空投下滑阶段考虑执行器输入死区、不确定性大气扰动以及模型存在未知非线性等因素干扰轨迹精确跟踪等问题,提出了一种自适应神经网络动态面跟踪控制方法.建立了含执行器输入死区的超低空空投载机纵向非线性模型,采用神经网络逼近模型中未知非线性函数,引入非线性鲁棒补偿项消除了执行器死区建模误差和外界扰动.应用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统所有信号均是有界收敛的.仿真验证表明,所提方法既保证了轨迹跟踪的精确性,又具有强鲁棒性.     

模型基涡轴发动机传感器故障诊断研究

基于干扰解耦思想,针对涡轴发动机工作中传感器瞬时断路硬故障模式,提出一种基于模型的涡轴发动机未知输入观测器传感器硬故障诊断方法。通过对地面、高空工作的涡轴发动机不同传感器故障的模拟,验证了该故障诊断方法的有效性。结果表明,基于模型设计的未知输入观测器(UIO),能够对系统输入中的测量干扰未知输入信号进行有效解耦,同时传感器故障信息通过UIO计算获得的输出估计具有鲁捧残差性能。     

基于二阶鲁棒滑模观测器的民用涡扇发动机气路故障诊断

针对状态估计器在航空发动机气路参数估计中响应迟缓、鲁棒性不强等问题,以未知输入重构的思路,提出了一种基于Super-twisting滑模观测器的航空发动机气路故障诊断方法。通过将健康参数考虑为未知输入,设计滑模切换项重构健康参数的变化量,由于避免了状态估计器设计中健康参数导数为零的假设,本文的方法在处理突变故障时拥有更快的响应速度。针对鲁棒性问题,提出了一种新的故障向量增广形式,通过将扰动项增广至健康参数向量中,观测器的重构信号能够同时估计出健康参数变化量以及扰动项的大小,实现扰动与部件故障的解耦,从而避免了不确定项对健康参数估计结果的影响。本文建立了民用涡扇发动机包线范围内的线性变参数模型,通过不同故障模式下的数值仿真,并与状态估计器比较,验证了方法的有效性。结果表明,设计的滑模观测器具有小于0.5%的估计误差,有效地提高了气路健康参数的估计速度,增强了对不确定性的鲁棒性。     

基于故障观测器的无人机直接自修复控制

提出一种基于故障观测器的无人机直接自修复控制。首先,根据系统本身存在的故障,设计了一个非线性故障观测器对其进行观测。其次,设计了一个快速终端滑模面和直接自修复控制器,将指数函数和符号函数引入到新型滑模面里。同时引入了自适应技术,对不确定的故障估计其上界。最后,通过对无人机进行了相应的仿真数值验证得出所提方法的有效性。     

基于故障观测器的无人机直接自修复控制

提出一种基于故障观测器的无人机直接自修复控制。首先,根据系统本身存在的故障,设计了一个非线性故障观测器对其进行观测。其次,设计了一个快速终端滑模面和直接自修复控制器,将指数函数和符号函数引入到新型滑模面里。同时引入了自适应技术,对不确定的故障估计其上界。最后,通过对无人机进行了相应的仿真数值验证得出所提方法的有效性。     

一类有限时间观测器设计及其在飞控系统中的应用

文章针对强可观系统提出了一种有限时间全阶未知输入观测器(Unknown Input Observer,UIO)。首先,设计2个独立的全阶UIO,其特征值满足一定的要求;其次,合并这2个观测器得到新的有限时间观测器,并且能够在预先设定的时间内准确估计出系统状态和未知输入,并借助超螺旋微分器重构了未知输入;最后,用一个飞控系统例子诠释了算法的有效性。     

Simultaneous state and actuator fault estimation for satellite attitude control systems

In this paper, a new nonlinear augmented observer is proposed and applied to satellite attitude control systems. The observer can estimate system state and actuator fault simultaneously. It can enhance the performances of rapidly-varying faults estimation. Only original system matrices are adopted in the parameter design. The considered faults can be unbounded, and the proposed augmented observer can estimate a large class of faults. Systems without disturbances and the fault whose finite times derivatives are zero piecewise are initially considered, followed by a discussion of a general situation where the system is subject to disturbances and the finite times derivatives of the faults are not null but bounded. For the considered nonlinear system, convergence conditions of the observer are provided and the stability analysis is performed using Lyapunov direct method. Then a feasible algorithm is explored to compute the observer parameters using linear matrix inequalities (LMIs). Finally, the effectiveness of the proposed approach is illustrated by considering an example of a closed-loop satellite attitude control system. The simulation results show satisfactory perfor-mance in estimating states and actuator faults. It also shows that multiple faults can be estimated successfully.     

多操纵面飞机舵面损伤的快速故障诊断

针对多操纵面飞机舵面损伤的快速故障诊断问题,提出一种直接估计舵面偏转量的自适应补偿观测器方法。首先,设计了增广观测器进行系统输入估计,并提出了自适应补偿方法解决其动态跟踪性能差的问题;其次,设计了一种新的自适应阈值以快速检测故障并降低虚警率;最后,利用舵面故障特点,采用重置初值的限定记忆最小二乘方法实现了对突变参数的实时估计,用以进行故障隔离。仿真结果表明:在不同的舵面损伤故障情况下,所提出的观测器方法能在20 ms内发出故障预警,并在0.22 s内确定故障位置,所采用的辨识方法可以在故障报警后的0.2 s内准确估计出损伤程度。     

基于UIO的航空发动机执行机构故障诊断

为了提高航空发动机诊断过程中对噪声干扰和模型参数变化的鲁棒性,应用UIO(Unknown Input Ob-server)理论估计发动机动态系统的工作状态,通过干扰正交投影弱化外界干扰对状态估计的影响,处理了航空发动机执行机构的故障诊断问题。对航空发动机执行机构设计一组UIO观测器,其中每个UIO用于监测估计对应执行机构的故障偏移量,计算系统输出理论估计值与发动机实际测量信号间的残差数据,分析残差队列的幅值特性,实现航空发动机执行机构系统的故障检测和隔离。某型涡扇发动机上的实验结果表明,与Kalman滤波算法相比,UIO诊断方法更能鲁棒地检测和隔离出执行机构故障。     

一种快速鲁棒自适应故障估计方法设计

针对一类线性系统的执行器故障,对一种快速鲁棒自适应故障估计方法进行了设计。所设计的自适应故障估计观测器在放松严格正实(SPR)条件的同时,还具备对干扰的鲁棒性。在设计观测器参数时,根据有界实引理,对干扰和故障变化率的影响分别设计不同的约束不等式,能够更灵活地调节二者对故障估计影响的比例,并且引入松弛变量设计不同的Lyapunov矩阵,降低了设计的保守性。在设计过程中,由于出现了非线性矩阵不等式,本文采用了锥补线性化的算法进行求解,最终求得了最优的观测器参数。最后通过对某飞行器控制系统的仿真证明了算法的有效性。     

航天器姿控系统的PD型学习观测器故障重构

针对满足Lipschitz条件的航天器姿态控制系统这一非线性系统中存在的执行器加性故障、空间干扰与测量噪声问题,提出了基于PD型迭代学习观测器的故障重构方法。该方法具有期望的鲁棒性能指标,能够在系统存在空间干扰与测量噪声情况下实现对突变故障与时变故障等故障类型的精确重构。基于线性矩阵不等式技术给出系统化PD型迭代学习观测器的设计方法,并根据Lyapunov稳定性理论对上述设计方法的稳定性条件进行了理论证明,同时利用鲁棒技术抑制空间干扰与测量噪声对执行器故障重构的影响,通过线性矩阵不等式工具箱求解观测器参数矩阵。最后,将该方法应用到航天器姿态控制系统中,仿真结果证明了该方法的有效性。     

Reconfigurable fault-tolerant control for supersonic missiles with actuator failures under actuation redundancy

Aircraft undergoing actuator failures into under-actuation have been seldom studied in literature. Aiming at addressing actuator failures of Total Loss of Effectiveness (TLOE) as well as Partial Loss of Effectiveness (PLOE) resulting in different system actuations, reconfigurable Fault-Tolerant Control (FTC) is proposed for supersonic wingless missiles under actuation redundancy. The under-actuated system of TLOE failure patterns is solved by transformation to cascade systems through a ‘shape variable’. Meanwhile, actuator TLOE faults of different unknown failure patterns from proper actuation to under-actuation are accommodated by a reconfigurable adaptive law on a multiple-model basis. The backstepping technique with the Extended State Observer (ESO) method adopted as a basic strategy is applied to an established symmetric coupled missile system with actuator PLOE faults, modeling errors, and external disturbances. Additionally, the nonlinear saturation characteristics of actuators are settled by an auxiliary system with the Nussbaum function technique. The stability of the control system is analyzed and proven through Lyapunov theory. Numerical simulations are implemented in the presences of aerodynamic uncertainties, gust disturbance, and actuator failures. Results demonstrate the effectiveness of the proposed method with satisfactory tracking performance and actuator fault tolerance capacity.     

A novel two-stage extended Kalman filter algorithm for reaction flywheels fault estimation

This paper investigates the problem of two-stage extended Kalman filter(TSEKF)-based fault estimation for reaction flywheels in satellite attitude control systems(ACSs). Firstly, based on the separate-bias principle, a satellite ACSs with actuator fault is transformed into an augmented nonlinear discrete stochastic model; then, a novel TSEKF is suggested such that it can simultaneously estimate satellite attitude information and actuator faults no matter they are additive or multiplicative; finally, the proposed approach is respectively applied to estimating bias faults and loss of effectiveness for reaction flywheels in satellite ACSs, and simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed fault estimation approach.