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。     

基于高增益观测器的四旋翼无人机轨迹跟踪控制

为了实现四旋翼无人机对给定姿态的快速跟踪,基于Terminal滑模控制方法设计了一种四旋翼无人机的姿态控制器,在设计滑模面时引入非线性函数来保证跟踪误差在有限时间内收敛。考虑在线速度未知的情况下,通过设计高增益观测器来对无人机速度进行观测,并利用所观测的信号设计位置控制器。最后利用Lyapunov理论证明了系统的稳定性。仿真结果表明,四旋翼无人机在线速度不可测的情况下,仍可进行轨迹跟踪控制。     

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。     

基于滑模干扰观测器的无人机编队动态面控制

针对采用虚拟结构法无人机编队中的不确定性问题,提出了一种基于滑模干扰观测器的编队控制器设计方案。采用滑模干扰观测器对汇总不确定项进行估计和补偿。在此基础上,采用动态面控制(DSC)算法设计了每架无人机的三个通道的编队控制器,克服了反演控制算法的"微分膨胀"影响。利用Lyapunov稳定性理论分析了控制参数的选取条件,保证了闭环系统是半全局一致最终有界的,且编队跟踪误差最终足够小。以5架小型无人机构成编队为例开展了编队飞行仿真分析。仿真结果表明,基于滑模干扰观测器的动态面控制算法保证了编队控制系统的控制精度和鲁棒性,有效地克服了不确定项的影响。     

含控制分配的六旋翼无人机模型参考容错控制

针对六旋翼无人机动力系统执行器故障问题,设计了一种基于模型参考滑模与动态控制分配相结合的容错控制器。利用线性二次调节方法设计参考模型,依据状态误差给出干扰存在下模型参考滑模的基本控制律。在此基础上,采用观测器将执行器发生卡死或失效的故障重构,利用故障信息结合控制分配策略,在线调整控制分配矩阵,减少故障执行器的使用率,实现容错控制目的。仿真结果表明,该控制策略能有效降低故障执行器对飞行姿态和轨迹的影响。     

无人机桨叶损伤的在线模型估计新方法

无人机在复杂高对抗环境中极易出现桨叶结构受损故障，造成无人机控制性能退化甚至失稳，给无人机带来灾难性后果。桨叶结构损伤条件下无人机动力学模型的在线估计与重建是保障无人机控制系统稳定的重要前提。由于桨叶损伤干扰隐含于无人机动力学模型的内部，可观测性较低，典型的干扰观测器难以实现对此类干扰的估计。提出了一种新型穿透型干扰观测器，通过构造穿透函数，将模型内部的干扰映射到一个新建的平行空间，实现了对桨叶损伤的估计和故障后无人机的建模，并给出了所设计穿透型干扰观测器的稳定性条件。以四旋翼无人机为应用对象，对桨叶损伤形成的干扰进行在线估计与量化，反演出桨叶随机出现的损伤，实现了桨叶损伤后无人机动力学模型的在线精细重建，解决了无人机桨叶损伤故障下力矩输入难以直接测量的问题。半物理仿真实验验证了所提方法的有效性。     

MIMO变结构飞行重构控制系统设计

基于滑模变结构控制,提出一种MIMO(multiple input multiple output)的飞行重构控制系统的频域设计方法.将滑模变结构控制与飞行重构控制相结合,解决了飞行重构控制技术中故障检测和系统参数辨识的问题.引入渐近观测器和hedge模型增加重构控制系统对衍生未建模动态的鲁棒性;引入作动器模型、输出饱和限制和驾驶员模型,使变结构重构控制系统设计方法变得更为有效和实用;以某型飞机的横航向飞行控制系统为例,进行设计模拟.结果表明:在飞机气动参数大幅突变和操纵面严重受损的情况下,飞机仍能保持良好的性能.      

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。     

进气压力调节执行机构故障诊断方法研究

面向高空台进气压力调节系统试验和维护需求,提出了一种基于滑模观测器的执行机构故障诊断方法。考虑特种调节阀的流量-压差气动特性对执行机构外负载作用机制,建立了电液伺服执行机构的非线性模型。由其识别出最佳估计数学模型,以获得自适应滑模观测器。分析确定不同故障对应伺服阀或液压缸的主导特征参数,据此选择可观测状态量且结合自适应阈值进行判断某部件是否发生故障,仿真验证该观测器对典型故障的诊断效果。结果表明,基于自适应滑模观测器的故障诊断方法可实现对进气压力调节系统中电液伺服执行机构典型液压、机械、电气故障的诊断和定位,诊断准确率达91%以上。     

无人机动态面自适应容错路径跟踪控制

针对固定翼无人机定高盘旋路径跟踪控制问题,基于动态面自适应控制设计了期望路径与时间无关的参数化路径跟踪双环控制器。首先,考虑无人机偏航执行机构的乘性故障,引入滑模函数设计了内环姿态容错控制器;然后,考虑外界非线性时变有界扰动,通过RBF神经网络在线估计补偿未知非线性量;接着,引入一阶滤波器,解决了虚拟控制量求导导致的控制器复杂问题;最后,利用Lyapunov理论证明了算法的稳定性。仿真结果表明,所设计的算法能够实现执行器存在故障时的路径跟踪控制,控制误差收敛于有界值。     

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。     

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。     

基于T-S模糊模型的航空发动机非线性分布式控制系统故障诊断

针对航空发动机非线性分布式控制系统的故障诊断问题,首先提出了一种基于飞行包线划分的航空发动机非线性Takagi-Sugeno(T-S)建模方法,建立了具有网络诱导时延的航空发动机非线性分布式控制系统模型,然后将该系统视为离散切换系统,为其建立了具有时延补偿功能的故障观测器,给出了使得观测器误差系统渐近稳定的充分条件.故障检测仿真时间为20s,当第12s时,设定系统发生幅值为0.0025的阶跃型突变故障,仿真结果表明:12s之前,故障观测器保持渐近稳定,当第12s时,残差迅速增大并超过所设定阈值,从而检测到故障的发生.      

新型自适应Terminal滑模控制及其应用

针对一类高阶MIMO非线性系统设计了基于快速模糊干扰观测器的自适应Terminal滑模控制方案.通过设计快速模糊干扰观测器,克服了传统模糊干扰观测器在误差较小时收敛速度慢的缺点.严格证明了跟踪误差及观测误差均在有限时间内收敛到零的小区域.最后在高超声速条件下,对空天飞行器再入过程的姿态控制进行仿真,结果表明了所设计干扰观测器的优越性和闭环控制方案的有效性.      

基于模糊滑模观测器的永磁同步电机进给系统速度估计

为解决目前伺服系统中采用机械位置传感器所存在的诸多缺点,提出一种用于永磁同步电机(PMSM)进给系统的模糊滑模速度观测器,实现无速度传感器控制。针对传统滑模观测器的抖振问题,采用Sigmoid函数代替传统理想开关函数,并引用模糊控制器自适应调整滑模增益以减小抖振,实现软切换连续控制。估计反电动势可以直接由控制函数的输出获得,省略了传统观测器中的低通滤波器和相角补偿。利用李亚普诺夫函数证明了设计的滑模观测器的渐进稳定性。仿真结果表明:设计的模糊滑模观测器能够对PMSM转子速度进行精确辨识,并有良好的动、稳态性能。     

THE ROBUST OBSERVER FOR FAULTDETECTION OF THE SENSOR

ＴＨＥＲＯＢＵＳＴＯＢＳＥＲＶＥＲＦＯＲＦＡＵＬＴＤＥＴＥＣＴＩＯＮＯＦＴＨＥＳＥＮＳＯＲＷａｎｇＳｈｅｎｇｙｕａｎ（Ｆａｃｕｌｔｙ３０１，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃ...     

飞机的模型参考容错控制

 本文针对飞机内部元件或控制元件的故障,用检测滤波器理论设计了相应的故障检测器和故障参数估计器,并用Lyapunov稳定性理论设计了模型参考自适应容错控制律,从而保证了在内部故障情况下飞行控制系统的稳定性。     

空间非合作航天器抓捕后姿态抗干扰控制

针对空间非合作航天器抓捕后存在未知不确定惯性参数的柔性组合体姿态稳定控制问题,基于中间状态观测器设计方法提出了一种新的姿态稳定抗干扰控制方法,同时考虑了诸多扰动及控制输入受限问题。研究结果表明,传统的姿态稳定控制方法需要已知柔性航天器惯性参数信息及状态信息,上述信息未知情况下会使姿态难以高精度稳定控制,且容易导致控制输入不满足受限要求。针对该问题,考虑控制输入幅值及变化率受限前提,提出了一种基于中间状态观测器的抗干扰控制方法,通过引入辅助变量构造新型中间状态观测器,同时估计组合体状态信息及综合干扰,设计出了一种新的组合体姿态稳定抗干扰控制器。通过Lyapunov稳定性分析方法证明了所设计的控制器能够保证闭环系统的全局渐近稳定性。相比于已有的混合H₂/H_∞控制器,所提出的抗干扰控制器在应用时不需要柔性组合体的姿态及模态信息,并且也不需要惯性参数的辨识过程。最后,通过给定参数进行仿真对比,进一步验证了所设计控制器的有效性和优越性。     

Neural network-based fault diagnosis for spacecraft with single-gimbal control moment gyros

This paper proposes a neural network-based fault diagnosis scheme to address the problem of fault isolation and estimation for the Single-Gimbal Control Moment Gyroscopes(SGCMGs) of spacecraft in a periodic orbit. To this end, a disturbance observer based on neural network is developed for active anti-disturbance, so as to improve the accuracy of fault diagnosis.The periodic disturbance on orbit can be decoupled with fault by resorting to the fitting and memory ability of neural network. Subsequ...