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。     

高超声速飞行器的自适应容错控制

针对高超声速飞行器再入过程中可能出现的执行器部分失效或卡死故障,设计了一种飞行器自适应容错控制器。在系统存在外界干扰及未知故障输入且上界未知的情况下,该控制器采用自适应算法在线估计未知的控制器参数,在执行器发生卡死或部分失效故障时,实现了对故障的容错控制和对制导指令的鲁棒输出跟踪。通过Lyapunov方法证明了该方法在执行器存在故障时能保证系统渐进稳定,仿真算例说明了该方法的有效性。     

考虑状态约束的弹性高超声速飞行器自适应饱和容错控制

针对弹性高超声速飞行器跟踪控制问题进行研究，主要考虑状态约束、输入饱和、执行器故障等约束条件。首先，将弹性模态、外界干扰和模型参数不确定性归结为一类带有未知上界的系统干扰。其次，根据被动容错思想，针对速度和高度子系统分别设计抗饱和自适应容错控制器，通过引入双曲正切函数和新型屏障李雅普诺夫函数分别处理了输入饱和与状态约束问题。最后，闭环系统的最终一致有界性采用李雅普诺夫方法证明，并通过仿真验证了所提定理的正确性。     

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。     

轨控期间挠性卫星姿控系统的容错控制

卫星在实施轨道控制期间,轨道机动推力会影响卫星的姿态稳定.本文针对存在推力干扰的挠性卫星,研究执行器故障情况下姿控系统的容错控制问题.首先设计一种基于反步自适应变结构的被动客错控制器实现姿态稳定,在此基础上,采用分布式智能部件作为执行器,设计补偿项以更好地抑制挠性结构的振动和常值变形.最后,以轨控期间挠性卫星姿态控制系统的飞轮故障为应用实例进行数值仿真.仿真结果验证了本文所设计的姿态容错控制器的有效性和可行性.     

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。     

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。     

网络化飞行器执行机构故障自适应容错控制

针对存在随机短时延和外部干扰的网络化飞行器执行机构故障问题,提出了一种自适应容错控制方法。首先利用扩张状态观测器(Extended State Observer, ESO)对系统不确定性进行估计,并构建了自抗扰控制器对不确定性进行补偿。在此基础上,设计了一种基于跟踪误差的自适应容错控制方法。当执行机构发生未知故障后执行机构指令能自适应逼近设计值,使得重构的控制系统精确跟踪参考模型。最后利用Lyapunov函数方法证明了闭环控制系统的有界稳定。数值仿真校验了所提方法的有效性。     

非线性黄金分割自适应控制

针对参数未知，高阶定常线性系统和一类复杂的非线性系统，为设计低阶控制器，并能满足不同系统的过渡过程要求。在线性黄金分割自适应控制方法的基础上，本文提出了一种新的非线性黄金分割自适应控制方法。文章首先简单介绍了被控对象的特征模型，接着重点介绍了这种控制方法的设计原理和特点。当系统能用二阶幔时变差分方程形式的简化特征模型描述时，可以证明由非线性黄金分割自适应控制器组成的闭环系统是稳定的。最后通过典型实例的仿真验证了非线性黄金自适应控制方法的有效性和优越性。     

挠性结构卫星单轴气浮台的模糊控制

将在线变动模糊划分的模糊控制应用在挠性结构卫星单轴气浮台全物理仿真实验中，实现挠性结构的大角度机动控制，获得了机动性能好、稳态精度高的结果。在模糊控制中，模糊集合的划分在控制过程中在线变动，自动确定模糊集合隶属函数的参数，需人工设置的控制器参数很少，只需调整一个控制能量分配参数，易于应用到实际控制过程中。     

一种自整定模糊PID型控制器

摘 要 本文提出一种简单的模糊PID型控制器，分析了其结构组成，介绍了基于自整定量化因子的参数整定方法，并利用小增益定理对BIBO系统的稳定性进行了研究。仿真结果表明这种控制系统的性能优于线性PID控制器。     

永磁同步电动舵机系统滑模变结构控制器设计

针对电动舵机系统,建立表贴式永磁同步电机(SPMSM)矢量控制模型。设计基于指数趋近律的滑模变结构控制器,并在此基础上进行抖振抑制。利用变指数趋近律滑模控制器与比例-积分-微分(PID)控制器相结合,设计组合控制器,既可最大程度地发挥滑模变结构控制的快速性与鲁棒性,又可利用PID控制的优势减小系统最后的抖振。最后,通过与基于指数趋近律的滑模控制器进行仿真对比,验证组合控制器对电动舵机系统抖振的抑制效果。仿真结果表明:设计的组合控制器将系统静差减小了85%,并基本消除了滑模末端的抖振。     

基于控制有效性因子的卫星姿态控制系统在轨重构容错控制

研究了在轨卫星姿态控制系统发生可修复性故障状况下的重构容错控制。首先在星敏感器对陀螺的标定模型中引入控制有效性因子，并利用二级卡尔曼滤波算法求解其值，以说明系统的控制有效程度。然后采用统计假设检验通过其幅值变化判断系统是否存在故障，当故障发生时，引入重构容错控制器对原控制器进行补偿控制。最后，建立卫星闭环姿态控制系统对算法进行了仿真验证，仿真结果表明该算法快速可靠，能够满足在轨卫星姿态控制系统故障状况下的性能要求。     

考虑执行器动态补偿的动中通系统非线性鲁棒控制

研究用于移动载体卫星通信的动中通系统的稳定跟踪问题。选取动中通系统的三轴非线性模型为被控对象,较单轴模型更能准确地描述子系统之间的运动学与动力学特性。在执行器动态特性的基础上,设计了一种具有执行器动态补偿的非线性鲁棒控制器。该控制器不仅能够使系统在载体移动过程中隔离载体扰动的影响,精确跟踪目标卫星,而且还进一步解决了执行器动态特性对系统的影响,更符合实际动中通控制系统设计的需要。最后通过三组对比仿真结果验证了所设计控制器在不同扰动条件下的稳定跟踪性能。     

高超声速飞行器的LPV变增益状态反馈H∞控制

针对高超声速飞行器模型高度非线性、强耦合的特点,提出了一种多胞形线性变参数系统（Linear Parameter Varying, LPV）变增益状态反馈H∞控制器的设计方法。首先在感兴趣的变参数轨迹上选取若干个平衡点进行雅克比线性化并拟合得到LPV模型,将其离散化后存储于一张量中,然后利用高阶奇异值分解（Higher Order Singular Value Decomposition, HOSVD）,舍去较小和等于0的奇异值及对应的特征向量对其进行降秩重构处理,得到了有限个LTI多胞顶点系统。在对各顶点进行状态反馈控制器设计时,为降低保守性,通过引入松弛变量,将Lyapunov函数矩阵与系统矩阵解耦,从而可以在不同的点使用不同的Lyapunov函数矩阵,以此得到依赖变参数进行增益在线调节的控制器。最后的仿真结果表明了所设计的控制器能够使系统较快地跟踪指令信号,并具有一定的鲁棒性能。     

多层模糊逻辑控制器的设计

本文提出一种适合于多输入多输出(MIMO)系统的多层模糊逻辑控制器(MLFLC)，该控制器由若干个多输入单输出(MISO)模糊控制器构成，每个MISO模糊控制器由许多单输入单输出(SISO)模糊控制器组成。该控制器采用互补型隶属函数，具有一组零控制面，只要使量化因子满足一定的条件，控制系统就是渐近稳定的。最后将上述控制器用于二节机械手中进行仿真试验，验证了上述算法的可行性和有效性。     

基于双机热备的航天发动机控制器设计

为提高控制器乃至发动机系统工作的可靠性,提出了基于双机热备控制器的冗余设计方案,通过对双机热备关键技术的研究,对技术难点进行攻关,提出了具体的解决措施,确保了双机的同步运行和主备机的可靠仲裁,从而构建了一个可靠的控制器系统,实现了双机热备控制器的自主研发技术储备,可以满足工程应用需要。     

基于非线性动态逆方法的TF/TA控制器设计

为了增强巡航导弹的低空突防能力，应用非线性动态逆原理设计了具有纵向和侧向解耦能力的TF／TA控制器。这种方法利用了反馈线性化理论，研究通过非线性反馈或动态补偿的方法，将非线性系统变换为线性系统(伪线性系统)，然后再按线性系统理论完成系统的各种控制目标设计。由于巡航导弹模型的复杂非线性，本文提出了一种简化方法。针对其各状态变量的时间响应特性不同，采取了分阶控制的方法，将TF／TA控制器分解为内环、中环和外环三层分别设计，这样大大简化了控制器设计的复杂性。最后以某巡航弹为例进行了全系统仿真，仿真结果表明，用非线性动态逆方法设计的TF／TA控制器具有良好的纵侧向解耦能力和快速响应能力。导弹能够准确地跟踪地形轮廓飞行，而且可以有效地绕过地形中的相对高处，并且系统对参数摄动具有一定的鲁棒性。     

Sun–Earth L2 point formation control using polynomial eigenstructure assignment

A nonlinear controller based on polynomial eigenstructure assignment (PEA) is presented for the control of Sun–Earth L₂ point formation flying. The relative motion dynamics is formulated as a nonlinear equation and rewritten as a Quasi-Linear Time-Varying (QLTV) model. Using a coprime factorization of the desired closed-loop transfer function, the PEA controller structure is calculated by representing the controller gains as polynomials. During the implementation of spacecraft formation flying, the PEA method is extended from Linear Time-Invariant (LTI) and Linear Parameter-Varying (LPV) models to a QLTV model to produce a closed-loop system with invariant performance over a wide range of conditions. To ensure system performance, the analytic stability analysis of the closed-loop system is developed and a position keeping controller for MIMO formation flying is designed using a decoupling method to achieve the desired performance. Finally, a simulation is carried out to validate the controller performance for the formation flying.