卫星姿态控制系统圆盘极点指标约束下鲁棒H_∞容错控制

研究了一类卫星姿态控制系统的鲁棒容错控制问题。针对执行机构性能下降或者出现故障,提出了一种圆盘极点指标约束下,对执行机构故障具有完整性且满足H∞扰动衰减指标的状态反馈鲁棒容错控制设计方法。分析了圆盘极点指标与H∞指标的相容性,并在相容指标约束下,给出了鲁棒H∞容错控制器存在的充分条件。同时将该方法应用于卫星姿态控制系统的容错控制并进行了数字仿真,仿真结果验证了方法的有效性。     

基于迭代学习观测器的容错控制

提出了一种基于迭代学习观测器(ILO)将故障检测和容错控制进行统一设计的方法。迭代学习观测器不仅可以用于进行状态估计和故障检测,而且可以用于获得控制输入调节项并进行故障估计。设计重构控制律的基本思想是利用估计状态和控制输入调节项来补偿故障引起的影响。文中还给出了特定假设条件下闭环重构控制系统稳定性的严格证明。理论分析和仿真研究表明,所提的方法是有效的并可保证闭环系统具有良好的重构性能．     

具有输入约束的飞机姿态L1自适应控制

针对具有模型不确定性、控制舵面故障以及非线性干扰的飞机俯仰姿态控制问题,基于L1自适应方法设计增广控制器。设计合适带宽的低通滤波器,以满足控制器快速自适应要求,保证系统输入输出信号的一致性能有界。考虑伺服控制实际存在的幅值约束,推导出所设计的自适应控制系统的稳定性条件及其性能界,即忽略幅值约束时,选择足够大的自适应增益,闭环系统性能能够任意接近参考系统;考虑幅值约束时,闭环系统的性能可以通过增大自适应增益得以改善,但是不能任意接近参考系统。仿真验证了所设计的飞机姿态控制系统的有效性,结果表明控制器对有界不确定性和干扰具有鲁棒性,同时满足输入约束要求。     

基于自适应逆最优控制的卫星容错控制

针对卫星在轨飞行过程中存在的一类执行机构故障,提出一种基于自适应逆最优控制原理的卫星姿态容错控制设计方法。考虑卫星执行机构出现故障的情况,将系统的不确定性参数作为估计的自适应参数,基于逆最优原理采用积分反推方法求解辅助系统的自适应控制Lyapunov函数,设计了能够确保原系统鲁棒稳定的自适应逆最优控制器。同时基于Lyapunov方法,从理论上推导了所设计出的控制律的稳定性,并通过仿真进行了控制算法验证。仿真结果表明,所设计的基于自适应逆最优控制的卫星容错控制方法能够保证执行机构出现故障时姿态控制系统稳定。     

基于未知输入观测器的四旋翼无人机故障诊断与模型参考容错控制

对四旋翼无人机（Unmanned aerial vehicle， UAV）姿态控制系统的执行器故障诊断问题进行了研究，在系统模型方面全面地考虑了模型的非线性和四旋翼无人机在飞行过程中受到外部干扰的情况。由于未知输入观测器可以将干扰、误差等作为未知输入进行处理，对干扰不敏感而对故障比较敏感，故设计了一种新的未知输入观测器进行故障诊断。同时为了保持四旋翼无人机在故障发生后的稳定性或者仍然可以按照预定轨迹运动，在得到准确的故障估计后为四旋翼无人机姿态控制系统设计了模型参考容错控制器，使其可以跟踪给定的参考模型。仿真结果证明了本文提出的故障诊断与容错控制方法的有效性。     

故障大系统的鲁棒容错控制方法

本文提出了对执行机构故障具有完整性的大系统分散鲁棒控制器设计方法。根据执行机构故障对系统的影响,建立了系统的故障模型。研究了故障大系统对执行机构故障的容错能力,导出了与故障大系统容错能力相关的不等式,表明增加大系统的鲁棒性指数,可以改善故障大系统的鲁棒性和容错能力。从而,按照系统的要求,选择适当的鲁棒性指数,利用高斯方法,可方便地设计出动态大系统的分散鲁棒容错控制器。     

网络系统的容错控制、优化与博弈研究综述

网络系统是一类由多个子系统通过机械或通信相互耦合所构成的系统。该系统由于其结构复杂、耦合机制多变,具有较高发生故障的概率。随着近几年人工智能的快速发展,网络系统除了可能发生物理故障,还可能存在恶意决策,为系统的安全性带来了新的威胁。本文首先针对网络系统的物理故障,从容错控制和容错优化两个角度总结和梳理当前国内外相关的研究成果。接着,沿着容错博弈控制技术发展的脉络,从博弈控制到分别面向物理故障和恶意决策的容错博弈控制,总结了相关的研究成果。进一步,梳理了当前博弈论在集群飞行器中的应用现状,并以此抛砖引玉,希望推动容错博弈成果在航空航天领域中的应用。最后给出了几个未来值得探索的研究方向。     

高超声速飞行器再入自适应容错制导控制一体化设计

针对故障下高超声速飞行器安全再入飞行问题,考虑控制系统存在各种不确定性参数、干扰和力矩故障,进行高超声速飞行器再入自适应容错制导控制一体化(Integrated guidance and control,IGC)设计。首先,针对分离通道的制导与控制(Separate channel integrated guidance and control,SCIGC)模型设计无法同时协调制导和控制系统容错能力的问题,考虑制导环和姿态环之间关系并建立制导控制一体化模型;然后,针对一体化模型设计自适应滑模Backstepping容错控制器,并采用Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型在线逼近由未知参数和加性故障引起的复合干扰项;最后,基于Lyapunov稳定性定理设计参数自适应律在线更新容错控制器,同时引入投影算子防止参数漂移以保证参数处于合理区间,从而完成自适应容错制导控制一体化方案设计。在飞行器故障条件下,通过IGC与SCIGC控制策略的仿真对比,验证了自适应容错IGC控制策略的有效性和优越性。     

基于时滞分解的线性时滞系统主动容错H_∞控制

采用一种具有广义内模控制结构的反馈控制器,研究一类线性时滞系统的主动容错H∞控制问题。针对可由外系统描述其动态行为的故障,设计基于观测器的故障估计器,并将故障估计用于反馈控制的故障补偿。采用一种新的时滞分解方法选取Lyapunov-Krasovskii泛函,推导并证明问题可解的充分条件,最后给出主动容错控制系统的设计算法。最后通过算例验证了提出方法的有效性,并且利用时滞分解方法,保守性减小。     

基于T-S模糊模型和迭代学习观测器的飞行系统故障容错控制

针对执行器失效的一类飞行控制系统,提出基于迭代学习观测器的模糊容错控制律,利用Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型对非线性系统进行描述、建模和控制.一旦系统发生故障,迭代学习观测器在估计系统状态的同时估计执行器的卡死值,然后利用估计的状态和故障信息构成反馈模糊控制律进行调节,以实现故障系统对参考系统的状态跟踪.给出了系统能进行容错控制的参数匹配条件,并利用Lyapunov理论详细分析了系统的稳定性以及闭环系统信号的有界性,某歼击机的仿真实例证明了本文方法的有效性.     

执行器卡死并失效的航天器姿态稳定控制

考虑挠性航天器执行器卡死与部分失效故障下的姿态控制问题,提出了一种滑模容错控制法。该方法采用自适应技术在线估计系统不确定参数,且该控制器的设计不需要任何在线或离线的故障信息,能够完全独立于地面站的支持。基于Lyapunov方法从理论上证明了该控制器不但能够有效地处理执行器故障,而且保证了闭环系统的全局渐近稳定,实现对姿态的高精度控制。最后将该方法应用于某型挠性航天器的姿态稳定任务中,仿真结果验证了该方法的有效性。     

Sliding Mode Fault Tolerant Attitude Control Scheme for Spacecraft with Actuator Faults

An active fault tolerant control scheme is investigated for the attitude control systems of spacecraft with external disturbance and actuator faults by using the sliding mode technique. Firstly,the dynamic equations and kinematic equations of spacecraft are given. For the dynamic mode of spacecraft in faulty case,a fault diagnosis component is used for fault detection and estimation by using a nonlinear observer. According to the fault estimation information obtained during the fault diagnosis,the fault tolerant control scheme is developed by adopting the backstepping sliding mode control technique. Meanwhile,the Lyapunov theory is used to analyze the stability of the closed-loop attitude systems. Finally,simulation results for the attitude dynamics models show the feasibility of the proposed fault tolerant scheme.     

基于观测器的飞机环控系统控制组件故障检测

控制组件作为飞机环境控制系统的重要组成部分,对其进行故障诊断具有重要意义。本文以环控系统的传感增益漂移和活门卡死故障为例,在Simulink仿真环境下建立其正常和故障模型,采用基于状态观测器的方法进行故障检测。仿真实验结果证明了该方法的有效性,且当上述两类故障发生时,基于观测器和仿真模型输出之间的残差特征分析,可以判别出所发生的故障类型。     

基于降维UIO的飞控系统鲁棒故障诊断

针对同时存在对象矩阵参数的摄动、外界扰动和故障的一类线性系统,基于降维的未知输入观测器(Un-known input observer,UIO)技术对飞控系统执行器故障进行诊断,使得系统对矩阵参数摄动和外界干扰具有良好的鲁棒性.该诊断方法把原系统分解为两个子系统,一个子系统受故障的影响,而另外一个子系统不受故障的影响,但状态可测.这样,不但大大降低了计算量,而且保证了故障诊断的快速性和准确性.     

基于混合变参数的执行机构故障容错控制

提出了一种新的故障建模方法,把包含执行机构损伤、完全失效和卡死的故障系统统一表示为具有凸多面体结构的变参数系统。然后,通过二次可分原理,求解只包含关于凸多面体各顶点的有限个线性矩阵不等式,给出了容错控制器存在的充分条件。最后,利用各顶点控制器参数综合获得具有凸多面体结构的线性变参数控制器。仿真结果表明:当执行机构正常或发生故障时,系统均具有较好的控制效果和动态性能。     

定量反馈理论在鲁棒与容错飞行控制系统中的应用

定量反馈理论（Quantitative feedback theory,QFT）作为一种新颖的频率域鲁棒控制技术，综合考虑了对象的不确定性范围和对系统的性能指标要求，以定量方式在Nichols图上展开分析与设计，从而保证了设计结果具有稳定鲁棒性和理棒性。而当飞机控制舵面局部受损或失败时，飞机模型气动导数所受的影响可看作是不确定对象鲁棒性问题的扩展，因此，考虑舵面受损与失效时的容错习行控制系统也可用QFT方法进行分析与设计。本文在讨论QFT原理与设计方法的基础上，以某型无人驾驶飞机的纵向飞行控制系统为例，对鲁棒和容错飞行控制技术进行了分析、研究与设计，获得了满意的设计与仿真结果。     

Model1000水下机器人容错控制

针对复杂海洋环境中水下机器人的可靠性问题,将在线学习的RCMAC递归小脑神经网络应用于水下机器人时变、非线性故障的辨识和容错控制中。在OUTLAND的ROV水下机器人Model1000上设置各种传感器和推进器故障进行水下故障辨识和容错控制实验,实验结果证明了RCMAC网络在水下机器人故障辨识和容错控制中的有效性。