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。     

基于迭代滑模的机械臂控制策略

针对机械臂这类非线性的不确定性系统,基于迭代学习控制与滑模控制策略,提出了一种有效的迭代滑模控制方法。该控制方法通过将滑模控制律引入到迭代学习控制中,并运用Lyapunov理论对控制律进行证明,从而确保系统的稳定性。基于拉格朗日力学法建立动力学模型,得到相对简化的n关节机械臂模型。以一个二关节机械臂为例,通过MATLAB仿真验证所提控制策略可有效提高关节的跟踪速度与跟踪精度,并且在一定程度上可减缓传统滑模控制的抖振现象,与传统迭代学习控制相比,系统具有鲁棒性。物理试验验证了所提控制策略的有效性。     

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。     

基于位姿可达空间的太空机械臂容错路径规划

为了使太空机械臂在关节锁定故障后仍能继续完成后续任务,提出一种基于位姿可达空间的太空机械臂容错路径规划方法。基于牛顿-拉夫逊法计算太空机械臂关节人为限位,完成满足任务需求的退化工作空间求解,通过构造姿态可达度指标,在退化工作空间的基础上建立故障机械臂基坐标系下的位姿可达空间。通过在代价函数中增加最小奇异值代价项改进传统A^*算法,基于改进A^*算法在所建立的位姿可达空间内完成太空机械臂容错路径规划。所提方法综合了位姿可达空间与改进A^*算法各自的优势,实现了关节锁定故障太空机械臂同时满足避奇异与位姿可达要求的轨迹搜索。通过建立7自由度太空机械臂运动学模型开展数值仿真研究,仿真结果验证了所提容错路径规划方法的有效性。     

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.      

欠驱动机器人的动力学耦合奇异研究

欠驱动机械臂的运动只能从动力学水平进行控制,从动关节的运动是通过主动关节的动力学耦合间接控制的。主、被动关节之间的动力学耦合特征与机械臂关节空间的位形有关,因此在欠驱动机械臂运动过程中可能发生动力学耦合奇异,某些被动关节的运动变得不可控。从关节空间和操作空间两个角度分析了欠驱动机械臂的动力学耦合问题,给出从以上两种工作空间度量系统动力学耦合的指标。提出一种基于输入变量非线性变换的滑模变结构控制方法,用于实现欠驱动机械臂操作空间中的连续轨迹控制。通过平面二连杆欠驱动机械臂和只有一个主动关节的平面三连杆欠驱动机械臂进行了仿真,仿真结果证明提出的控制方法是可行的。     

基于滑模观测器位置检测的水下推进器直接转矩控制研究

水下推进器是水下航行器的重要组成部分,为提高其转矩响应性能,提出了一种基于滑模观测器位置检测的水下推进器直接转矩控制方法。该方法将一种双曲正切函数引入线反电动势(EMF)滑模观测器,并将该滑模观测器应用于水下推进器直接转矩控制系统中,使得驱动控制系统通过水下推进器线反电动势观测值进行扇区判别与转矩估计,从而获得6个离散的换相信号,实现无位置检测的水下推进器直接转矩控制。仿真试验表明:所提控制方法能够很好地观测线反电动势,提高转矩动态响应,减小系统抖振幅度。     

基于未知输入观测器的非线性动态系统故障估计

针对一类受扰非线性动态系统的执行器故障估计问题,提出一种未知输入观测器来实现故障估计。首先,通过坐标变换将原系统转化为合适的形式;其次,采用线性矩阵不等式与Lyapunov泛函分别设计H_∞输出反馈控制器和未知输入观测器,在此基础上实现对系统中执行器故障的渐近估计;最后,通过机械臂系统仿真分析并验证了所提方法的有效性。与已有方法相比,所提方法不要求故障可导,也不要求故障或干扰上界已知,因此易于在工程实际中实现对非线性系统执行器故障的估计。     

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。     

Adaptive fuzzy terminal sliding mode control for the free-floating space manipulator with free-swinging joint failure

Space manipulator with free-swinging joint failure simultaneously contains kinematic and dynamic coupling relationships, so it belongs to a new underactuated system. To allow the manipulator to carry on tasks, an effective robust underactuated control method for the space manipulator with free-swinging joint failure is studied in this paper. Considering the effect of model uncertainty and joint torque disturbance, a robust underactuated control system based on the Terminal Sliding Mode Controller (TSMC) is designed, but two drawbacks are discussed: (A) Robustness depraves with eliminating chattering. (B) Control parameters are difficult to be determined under unknown uncertainty and disturbance. To improve the TSMC, the adaptive fuzzy controller is introduced to estimate the real effect of unknown uncertainty and disturbance according to deviations of sliding mode and its reaching law. The estimated result is directly compensated into active joints torque. In simulation, the space manipulator with free-swinging joint executes tasks based on the TSMC and the Adaptive Fuzzy Terminal Sliding Mode Controller (AFTSMC) respectively. Same tasks can be finished with smaller joints torque and stronger robustness based on the AFTSMC. Therefore, AFTSMC can serve as an effective robust control method for the space manipulator with free-swinging joint failure under unknown model uncertainty and torque disturbance.     

Failure treatment strategy and fault-tolerant path planning of a space manipulator with free-swinging joint failure

Aiming at a space manipulator with free-swinging joint failure, a failure treatment strategy and fault-tolerant path planning method is proposed in this paper. This method can realize failure treatment of a space manipulator with free-swinging joint failure through determination of the optimal locked joint angle and dynamics model reconfiguration. Fault-tolerant path planning is realized by the establishment of the degraded workspace with integrated kinematics performance (DWWIKP) and an improved A-Star (A1) algorithm. This paper has the following contributions. The determination of the optimal locked joint angle can ensure that the manipulator is able to continue follow-up tasks while maximizing the workspace of the manipulator after locking the fault joint. Underactuated control of a high degree-of-freedom (DOF) manipulator can be effectively solved through dynamics model reconfiguration. The analysis process of the dynamics coupling relationship can be applied to cases where the active joint and the passive joint are parallel or perpendicular to each other. The establishment of the DWWIKP can demonstrate the kinematics performance of the manipulator in both joint space and operation space comprehensively. The improved A1 algorithm based on the integrated kinematics performance index (IKPI) can search a fault-tolerant task trajectory that satisfies the requirements of reachability and the overall kinematics performance simultaneously. The method proposed in this paper is verified by a 7-DOF manipulator, and it is available to any DOF manipulator with free-swinging joint failure.     

考虑性能退化的航空发动机故障诊断量化评估

航空发动机全生命周期内的故障诊断一直是研究的热点,为保障航空发动机在性能退化条件下故障诊断算法的可靠性,对考虑性能退化的航空发动机进行故障可诊断性量化评估有着重要的意义。本文从状态量的可测量性以及最优观测器设计两个方面对退化状态下航空发动机的滑动窗口模型进行解耦处理。从故障可检测及可隔离两个方面对故障的可诊断性进行量化评估,以巴氏距离为量化标准,将量化评估问题转换为多元分布概率距离求解问题。同时,从故障空间的角度对故障可隔离性进行定义,剥离了参考故障模式的影响,将可隔离性转化为故障空间中故障模式的固有属性,并给出航空发动机故障可检测及可隔离的判据。仿真实验证明,本文所提出的方法可以在发动机性能退化条件下对控制系统传感器、执行机构故障以及发动机气路部件故障进行可诊断性量化评估。     

过驱动飞行器积分滑模容错控制方法

针对过驱动飞行控制系统中执行器故障时的协调分配问题,提出了一种基于积分滑模的容错飞行控制器设计方法.引入虚拟控制思想,构造了多执行器故障条件下飞行器层级结构控制的数学模型.运用小增益定理,推导了系统闭环稳定的充分条件,并基于线性矩阵不等式,建立了最优状态反馈的凸优化模型.以积分滑模面切换函数为变量,选取李雅普诺夫能量函数,设计了渐近稳定的积分滑模控制器.仿真结果表明,该方法可综合考虑执行器完好和故障时的控制效能,能够实现多操纵面容错飞行控制,具有较好的鲁棒性.     

基于奇异值分解的接收机自主完好性监测算法

基于最小二乘法残差的接收机自主完好性监测（receiver autonomous integrity monitoring，RAIM）算法本质是一种基于伪距残差矢量的一致性监测算法，但由于残差矢量中各分量具有一定的关联性，掩饰了某些重要的不一致性信息。为了消除这种关联性，提出了一种基于奇异值分解的接收机自主完好性监测方法。在方法中利用奇异值分解对伪距观测矩阵中的观测系数矩阵进行分解，获得奇异值空间矢量和奇异值空间矩阵。基于奇异值空间矢量构造能够直接反映故障卫星偏差信息的检验统计量，从而可以简便地进行粗差监测，更好地满足完好性监测需求。鉴于实际中完好性故障包含运控系统故障、导航系统故障、信号传播异常以及地面接收处理故障等多类因素，以脉冲型和阶跃型两种故障方式进行基于奇异值分解的RAIM故障检测与识别，并开展仿真分析研究。结果表明，提出的方法能够正确检测、识别故障卫星，在特定参数下能够达到很好的故障识别率，即当误警概率设置为1×10-5/h、引入阶跃故障误差为25 m时，算法能够实现98.8%的故障识别率。     

A multi-stage regulation strategy of space manipulators with a free-swinging joint failure

To ensure tasks can be completed after a free-swinging joint failure occurs, a multi-stage regulation strategy of space manipulators is proposed. Considering all terms of the dynamics equation, an evaluation model of the regulation ability (EMRA) of active joints over the fault joint is established based on the fuzzy entropy. And then a multi-stage regulation strategy based on the EMRA is designed to regulate the fault joint. The strategy divides the regulation process into several stages, and select a certain active joint to regulative the fault joint in every stage. With this multi-stage regulation strategy, the fault joint can be regulated to the desired angle without huge torque on regulative joints. The simulation is carried out with a 7-DOF space manipulator, verifying the correctness and effectiveness of the multi-stage regulation strategy. The strategy has three advantages: Coriolis and centrifugal terms are both considered for the first time in selecting the regulative joint, making the selection result more in line with the actual regulation process; The influence of the model uncertainty is eliminated in establishing the EMRA, making the evaluation of regulative ability more precise; The fault joint is successfully regulated to the desired angle without huge torque on regulative joints.     

SE(3)上航天器姿轨耦合固定时间容错控制

针对相对运动航天器姿轨一体化控制问题,考虑执行器故障和控制输入饱和的影响,提出了一种基于滑模的模糊自适应固定时间容错控制方法。首先,在李群SE（3）的框架下建立并推导相对运动航天器姿轨一体化误差动力学模型;其次,引入执行器故障和控制输入饱和的问题,采用双幂次快速终端滑模面,并结合模糊自适应方法设计了固定时间稳定的容错控制器,可以实现执行器故障情况下相对运动航天器的高精度快速跟踪控制;然后,运用Lyapunov方法证明了系统的稳定性,该控制器不仅能不依赖于系统的初始状态实现滑模趋近和到达阶段的固定时间稳定性,而且由于采用模糊逼近方法结合自适应更新策略可以实时高精度地估计系统的总扰动信息,因此可以达到快速高精度的容错控制目标;最后,对所提出的的控制方法进行数值仿真分析,结果验证了该方法的有效性和可行性。     

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。