Disturbance observer-based robust guidance for Mars atmospheric entry with input saturation

With low-lifting capability taken into account,a robust guidance law for Mars entry vehicles with low lift-to-drag ratios,such as Mars Science Laboratory(MSL),is presented.Consider the nonlinear term in the drag dynamic equation and bounded disturbances as a lumped disturbance,and design a linear disturbance observer(DOB)to estimate it.With the consideration of the control input saturation,an innovative sliding surface and a virtual system are introduced to design the guidance law.Analyses of disturbance observer performance and Lyapunov-based transient performance are also presented.It is shown that the drag tracking error can be adjustable by explicit choices of design parameters.Simulation results confirm the effectiveness of the proposed guidance law.     

Adaptive dynamic surface control of NSVs with input saturation using a disturbance observer

An adaptive dynamic surface control(DSC)scheme is proposed for the multi-input and multi-output(MIMO)attitude motion of near-space vehicles(NSVs)in the presence of external disturbance,system uncertainty and input saturation.The external disturbance and the system uncertainty are efficiently tackled using a Nussbaum disturbance observer(NDO),and the adaptive controller is constructed by combining the dynamic surface control technique to handle the problem of‘‘explosion of complexity’’inherent in the conventional backstepping method.For handling the input saturation,an auxiliary system is designed with the same order as that of the studied MIMO attitude system.Using the error between the saturation input and the desired control input as the input of the designed auxiliary system,a series of signals are generated to compensate for the effect of the saturation in the dynamic surface control design.It is proved that the developed control scheme can guarantee that all signals of the closed-loop control system are semi-globally uniformly bounded.Finally,simulation results illustrate that the proposed control scheme can achieve satisfactory tracking performance under the composite effects of the input saturation and the external disturbance.     

基于扩张状态观测器的再入弹头控制系统设计

为了提高非自旋再入弹头的变质心控制系统的鲁棒性,采用滑模控制方法设计了变质心控制系统中的控制器。为了使控制系统设计简单,将弹头俯仰通道和偏航通道之间的耦合作用以及外界干扰综合为汇总不确定量,并采用扩张状态观测器进行估计和补偿。扩张状态观测器引入到滑模控制器中,从而发展了一种基于扩张状态观测器的滑模控制器。对弹头的变质心控制系统进行了仿真分析,仿真结果表明,所设计的控制器能够有效地补偿汇总不确定量的影响,使控制系统输出快速而准确地跟踪上指令信号。     

基于自抗扰理论的小型四旋翼飞行器姿态控制

针对四旋翼飞行器的强耦合性、非线性、易受外界干扰等控制难点,研究利用自抗扰控制器对四旋翼飞行器进行姿态控制的技术问题。通过牛顿-欧拉方程建立四旋翼飞行器动力学模型,将不确定性、耦合及参数摄动等干扰作为"总和干扰",利用扩张状态观测器进行估计并动态反馈补偿,再利用非线性反馈抑制补偿残差,进行四旋翼飞行器姿态控制仿真实验。结果表明:在存在模型参数摄动和外界扰动的情况下,扩张状态观测器很好地实时估计和补偿了四旋翼飞行器的总和干扰,基于自抗扰的四旋翼飞行器姿态控制系统具有较好的动态品质、稳态精度以及较强的鲁棒性。     

高超声速飞行器强鲁棒自适应控制器设计新方法

针对高超声速飞行器飞行过程系统参数大范围剧烈变化以及存在严重不确定性的特点,同时考虑外界环境干扰复杂,内部干扰严重的特殊问题,提出了一种新型强鲁棒自适应控制器构型。该新型强鲁棒自适应控制器将控制器分为标称控制器和补偿控制器。标称控制器可采用成熟的控制理论来设计,主要考虑闭环系统的性能;采用合适的手段估计系统参数大范围剧烈变化、系统的不确定性以及内、外部干扰等“系统扰动”作为补偿控制器的输入,通过设计强鲁棒补偿控制器对“系统扰动”进行补偿,使整个闭环控制系统对“系统扰动”具有强鲁棒性。将新型强鲁棒自适应控制器应用于高超声速飞行器的姿态控制系统的设计,大大提高了高超声速飞行器控制系统对内、外部干扰的抑制和对系统参数大范围剧烈变化以及严重不确定性的适应能力,可满足高超声速飞行器飞行控制的需求。     

导弹复合控制系统的模糊逻辑控制分配

针对空空导弹复合控制系统中的控制分配问题,提出了一种模糊逻辑控制分配算法。采用动态面控制方法设计了复合控制量的控制律。在设计过程中,利用扩张状态观测器估计汇总不确定项,并采用光滑二阶滑模控制算法设计了控制律,达到了提高鲁棒性和削弱抖振现象的目的。应用模糊逻辑控制分配算法将复合控制量分解为直接力控制指令和舵偏角控制指令。为了检验所设计的复合控制系统的控制效果,对采用基于模糊逻辑控制分配算法的复合控制系统和传统的气动力控制系统进行了对比仿真实验。仿真结果表明,所设计的复合控制系统具有更好的控制效果。     

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。     

高超声速机动目标天基跟踪鲁棒性滤波方法

为解决高超声速滑翔飞行器(HGV)机动飞行过程中的跟踪问题,提出了一种基于机动观测器补偿的鲁棒扩展卡尔曼滤波方法。针对传统卡尔曼滤波器由于模型误差而无法稳定跟踪的问题,首先建立了HGV动力学模型和天基红外测量模型;随后,设计机动观测器对未知气动加速度进行在线估计;在此基础上,利用机动估计对扩展卡尔曼滤波中的预测步骤进行修正,克服了因模型误差而导致的滤波发散问题;最后,考虑到机动观测器的时延误差,在扩展卡尔曼滤波迭代过程中引入次优渐消因子,提高了滤波跟踪的鲁棒性。与强跟踪滤波、扩维卡尔曼滤波、交互多模型滤波等典型跟踪方法相比,所提方法可在不具备目标机动先验信息的情况下,以较低的计算耗时取得良好的稳定性和跟踪精度。     

ESO-based event-triggered attitude control of spacecraft with unknown actuator faults

An event-triggered control strategy based on extended state observer (ESO) is proposed for the attitude tracking problem of small plug-and-play spacecraft with uncertain inertia parameters, external disturbances, and actuator faults. A simplified controller is developed based on the angular velocity and the general disturbances estimated by the provided ESO using the information of the system inputs and the angular velocities. In the designed event-triggered sampling mechanism, a state-dependent event-triggered strategy determines the triggering instant of the controller to reduce the frequency of information transmission between the controller and the actuator. In comparison with the previous literature, this paper considers uncertain inertia parameters, external disturbances, and actuator faults as general disturbances estimated by ESO, especially for the actuator faults. The inputs of ESO are the error of the angular velocities, which can simplify the controller design. Moreover, the designed ESO can effectively attenuate the influence of measured noises generated by the gyroscopes. The proposed event-triggered policy balances the performance of event-triggering and the control stability performance, which reduces the final state convergence regions without increasing more triggering times compared to existing studies. Furthermore, the investigated policy achieves Zeno-free triggering. Numerical simulations verify theoretical results.     

基于嵌套饱和的四旋翼无人机吊挂负载控制器设计

针对四旋翼无人机吊挂负载系统飞行中的摆角抑制问题,考虑过快位置机动容易引起吊挂大幅度摆动,提出了一种基于嵌套饱和的四旋翼无人机吊挂负载控制器。首先,利用扩张状态观测器估计干扰,设计具有强抗扰能力的垂直位置控制器;其次,基于简化模型通过构建李雅普诺夫函数,设计控制摆角收敛的抑摆控制器;最后,基于一种嵌套饱和控制方法,设计了限制机动速度的水平位置控制器。与已有控制方法的仿真对比表明,该控制器不但能保证四旋翼无人机吊挂负载系统稳定飞行,还能在大幅度位置机动指令下有效减小最大摆幅。