考虑瞬态特性的无人机自适应容错控制设计

针对固定翼无人机纵向轨迹跟踪控制问题,基于反馈线性化和模型跟随控制设计基础控制器,实现无故障情况下闭环系统的稳定和轨迹渐近跟踪控制。考虑固定翼无人机的执行器可能发生不同类型及大小的故障,分别针对各种不同故障模式设计与之对应的补偿控制器。为综合解决执行器故障的多重不确定性问题,采用加权融合与自适应控制相结合的方式设计综合控制器结构,并对与故障相关的控制器参数进行估计。最后,通过在基础控制器设计中添加H∞补偿项,以抑制故障补偿控制器参数估计误差对闭环系统输出跟踪性能造成的不利影响。理论分析和仿真结果表明,所提出的控制方案不仅能保证闭环系统的稳定性,而且在发生不确定执行器故障的情况下,固定翼无人机姿态控制系统输出能渐近跟踪给定的参考模型输出,通过设计适当的H∞补偿器参数可以改善故障补偿控制过程中的瞬态性能。     

多模型直接自适应执行器故障补偿控制系统

为了更快更好地补偿执行器故障带来的不确定性,发展了一种新的多模型自适应执行器故障补偿控制系统设计方法。首先,分析所有可能的执行器故障模式,得到故障模式集。再针对每一种故障模式,分别进行控制器设计,控制器设计时采用直接模型参考自适应执行器故障补偿控制方法进行设计。然后根据参数估计误差分别计算每种故障模式下系统的性能损失函数,选择性能损失最小的子系统对应的控制器作为当前的全局控制器。最后以飞行控制系统为例进行了仿真,仿真结果表明,所设计的多模型直接自适应执行器故障补偿系统闭环稳定,且有良好的跟踪性能。     

具有时变时滞不确定切换系统的鲁棒H∞可靠控制

为了克服时变时滞效应对切换系统的不良影响,并使系统具有一定的抗干扰性和可靠性,针对一类执行器故障的时变时滞不确定切换系统,研究了鲁棒H∞可靠控制器的设计问题。首先给出了该类系统的鲁棒可靠控制器,γ-次优鲁棒H∞可靠控制器及γ-最优鲁棒H∞可靠控制器的概念;然后建立了切换系统的执行器故障模型,运用多Lyapunov-Krasovskii泛函方法和线性矩阵不等式(Linear matrix inequality,LMI)技术,给出了执行器故障情况下的鲁棒H∞可靠控制器的设计方法,所得到的关于优化问题中的矩阵不等式不是一组线性矩阵不等式,通过变量替换的方法求得了控制器的增益阵,并且提供了最优扰动抑制性能的迭代求解步骤;最后通过仿真实例验证了设计方法的有效性。结果表明在系统具有不确定参数和执行器故障的情况下,所设计的控制器能够镇定原系统,并使得系统具有H∞扰动抑制性能。     

基于多观测器的一类过驱动系统主动容错控制设计

以四旋翼直升机姿态控制系统为对象,针对一类过驱动系统,由控制分布阵列不满秩而引起的执行器故障诊断难的问题,本文采用了一种新颖的多观测器故障诊断方法对执行器故障进行检测和估计,进而设计一种具有故障补偿并且满足H∞性能的动态输出反馈跟踪控制器。该方法不仅能够快速的检测和估计出单通道执行器故障,而且能够有效的补偿故障对系统稳定性的不利影响,保证系统在单通道执行器故障下具有一定的姿态跟踪能力。相对于状态反馈控制器,所提算法有效的避免了模拟状态量而带来的误差,一定程度上提高了系统的控制精度和可实现性。最后通过Quanser3-DOF Hover半物理仿真平台验证所提算法的可行性和有效性。     

控制输入约束下非线性系统输出反馈容错控制

针对一类非线性系统的执行器增益故障,在考虑控制输入幅值约束下,研究了故障系统的主动容错控制策略。利用静态输出反馈控制策略,基于Lyapunov理论和线性矩阵不等式技术给出了重构容错控制器的递推设计方法,确保故障闭环系统在满足给定控制输入幅值约束下的鲁棒稳定性,并具有与无故障正常系统接近的其他优化控制性能。仿真算例表明了本文容错设计策略的有效性。     

具有随机传输时滞的网络化控制系统故障检测

针对具有干扰的网络化控制系统提出了一种鲁棒故障检测方法。考虑网络化控制系统中,被控对象的传感器和执行器之间的信息传输是通过一个共享传输媒介与控制器连接实现,传感器-控制器,控制器-执行器之间的时滞由两个独立的马氏随机过程分别描述。通过对被控系统状态和故障检测滤波器的适当扩维,鲁棒故障检测滤波器以一组线性矩阵不等式(LMIs)的形式给出设计方法。残差基于控制器和故障检测滤波器获得的数据生成,在无故障发生时,其输出趋于零,故障发生后,跟踪故障信息。最后给出一个例子说明了所提方法的有效性。     

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。     

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.     

一种新的抗饱和控制器研究与设计

首先忽略执行器的饱和,设计了能够满足系统性能要求的线性控制,然后设计了饱和补偿器降低饱和的影响,线性控制器使系统有较小的阻尼率以提高响应的快速性;当输出达到设定值时,非线性控制器使系统有较大阻尼率以降低超调量。线性控制器与非线性控制器合成总控制器,结合PID技术,能够实现高精度艰踪控制。本方法设计的控制器应用于伺服跟踪系统,仿真结果表明该方法是有效的。     

一类不确定非线性系统的故障诊断方法

提出一种基于观测器的残差生成器方法来达到对一类多输入多输出非线性不确定系统进行故障分离的目的。通过对待监测故障引入适当的假设,同时假定不确定性满足Lipschitz条件,设计了一种残差信号来完成故障诊断,设计过程应用了高增益观测器和自适应故障诊断观测器方法,同时不需要借助线性逼近方法。最后分析了该残差信号对于待监测故障的敏感性和对于不须报警的故障的不敏感性。     

一种基于纵弯模态复合的新型两自由度直线超声电机的研究

提出了一种基于两个弯曲振动模态与一个纵向振动模态复合的新型两自由度直线超声电机。介绍了这种电机的结构特点。阐述了电机实现两个自由度直线运动的原理，并从理论上证明了电机驱动点的运动轨迹为椭圆运动。在此基础上，利用有限元方法设计了电机，并制造了原理性样机。利用PSV-300F多普勒激光测振仪对电机的工作模态进行了测试，实验结果表明，电机的工作振型和工作频率等均满足设计要求。电机的试运行表明了其工作原理和设计结果的正确性，并给出了电机的输出性能。最后指出了该样机存在的问题和改进措施。     

基于神经网络非线性时滞系统的鲁棒可靠控制器设计

将一类非线性时滞控制系统中的非线性部分，用一个单隐层神经网络来近似代替，采用线性微分包含（LDI-linear differential inclusion）的方法来线性化该非线性环节，对于线性化所产生的近似误差、时滞和执行机构故障作为系统的一部分设计可靠鲁棒控制器，相关的定理也一并给出。高阶微分和偏微分方程一般是用来解决这类非线性系统的主要方法，文章中提出的可靠鲁棒控制器设计方法克服了以上这些方法求解困难的缺点，仿真示例用设计好的可靠鲁棒控制器与常规极点配置法进行了比较，从而表明了这种方法的有效性。     

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。     

Adaptive Backstepping Control for Hypersonic Vehicles with Actuator Amplitude and Rate Saturation

This paper presents a constrained control strategy for the hypersonic vehicle with actuator amplitude,rate constraints and aerodynamic uncertainties. First,a vehicle-actuator control model is derived in consideration of actuator dynamics properties explicitly. Second, a nonlinear disturbance observer is designed to estimate the aerodynamic uncertainties, and then an adaptive backstepping control technique is adopted with a modified first-order-filter to eliminate the"explosion of terms"problem. Next,for handling the actuator amplitude and rate constraints,a novel auxiliary compensation system is constructed to generate quickly compensating signals to ensure tracking performance of command signal. By the Lyapunov stability proof,the proposed control scheme can enssure that the tracking errors converge to an arbitrarily small neighborhood around zero when the actuator constraints and aerodynamic uncertainties exist. Finally,numerical simulations are implemented to illustrate the effectiveness of the proposed control method.     

主动式惯性作动器特性研究

研究一种在主动式动力吸振器的基础上发展起来的主动式惯性作动器，它具有简化设计的优点，文中将自适应优化设计方法用于主动式惯性作动器，克服传统设计方法的若干缺陷，研究结果表明，采用本文方法设计的这种这动器在许多方面有其特点与优点，尤其是对各种类型的外扰，外扰的频带以及作动器内不同的对中弹簧刚度等都有较强的适应能力，达到有效减振的效果。     

有界丢包情况下网络化控制系统的可靠保成本控制

针对任意丢包和马尔可夫丢包两种有界丢包情况,考虑了系统元件发生故障时网络化控制系统可靠保成本控制问题。提出了一种新的把传感器与执行器同时发生故障的情况考虑在内的故障描述方法,利用丢包依赖的李亚普诺夫方法,得到了可靠控制器存在的充分条件,通过求解具有线性不等式约束的凸优化问题,得到最优可靠控制器增益的参数表达式,它使得系统在有界丢包与元件故障情况下保持渐近稳定,同时使系统性能指标达到最优。数值仿真验证了方法的有效性。     

不确定非线性系统的鲁棒输出跟踪

研究了一类具有参数不确定性和外界干扰的仿射非线性系统鲁棒输出跟踪控制问题。首先利用微分几何理论中的输入输出反馈线性化技术钭不确定线性系统通过一非线性状态变换化为线性化规范形，然后利用变结构控制的思想提出了一种基于标称系统和不确定性范数界的鲁棒输出跟踪控制器设计方案，并用李雅普诺夫稳定性理论证明了利用本文设计的跟踪控制器可保证闭环系统是有界稳定的，且稳态输出跟踪误差为零。由于所设计的跟踪控制律连续，克服了常规变结构控制方案可能引起的高频抖振现象。将本文结论应用于一空间飞行器的姿态跟踪控制问题，仿结果表明了该设计方法的有效性。     

基于线性参数变化自适应观测器的鲁棒故障诊断

基于线性参数变化自适应观测器,研究了一类具有外部扰动的不确定线性参数变化系统的鲁棒故障诊断问题。针对飞控系统具有非线性和时变的特点,运用了线性参数变化技术,提出一种基于线性参数变化自适应观测器的自适应故障估计算法来估计故障信息。为降低外部扰动对故障估计的影响,引入了H∞鲁棒性能指标来设计线性参数变化自适应观测器以及故障估计算法。结果表明,该方法具有良好的故障估计性能,且对外部扰动具鲁棒性。设计过程中,将参数的求解转化为线性矩阵不等式（LMIs）约束下的凸优化问题。最后,将该方法应用于直升机线性参数变化飞控系统执行器故障诊断,仿真实验验证了该方法的有效性。