非线性不确定系统的滑模观测器设计

针对一类非线性不确定系统,给出了一种滑模观测器方案.设计了滑模与相应的控制策略以调整观测器跟踪系统状态的收敛速度,使状态估计达到预期指标,同时保证对系统非线性不确定性具鲁棒性.由滑模控制原理给出4条模糊规则,用于平滑不连续控制以削弱高频抖振.仿真结果验证了该控制策略的有效性.     

一种改进的观测器算法在制导中的应用

研究了导弹视线角和视线角速度可测情况下的制导信息估计问题,给出了一种改进的CB观测器(Cost-Based Observer)设计算法。基于非线性平面拦截模型,将目标机动看作一阶马尔可夫过程建立了制导信息滤波的非线性状态方程并将其化为SDC模型。针对系统能观性不足问题,提出了多状态相关系数矩阵加权组合的方案对CB观测器进行改进。并将其用于估计弹目相对距离、相对速度和目标机动加速度,利用估计的制导信息进行制导计算并与制导信息完全可测情况进行比较研究。最后,采用比例导引律进行仿真,结果表明本文所设计的观测器估计精度较高,且能满足制导性能要求。     

基于模糊观测器的不确定非线性系统故障检测方法

给出了一种不确定非线性系统的基于模糊观测器的故障诊断方法。用T-S模型描述不确定非线性系统,从而得到一种新的模糊观测器,并给出了其稳定性约束条件LMI。将模糊观测器和实际系统的输出之差作为残差可对不确定非线性系统进行故障检测。最后给出了一个控制系统感应电机的故障诊断应用实例。     

基于变增益观测器的高超声速飞行器输出反馈控制

针对吸气式高超声速飞行器飞行控制问题,提出一种基于变增益观测器的双回路非线性输出反馈控制方案。首先,为解决部分状态信号不可直接测量的问题,设计了一种可变增益状态观测器。通过状态变换将飞行器模型变换为双回路形式,并设计自适应的观测器增益系数在保证其稳定性的同时提高鲁棒性。在此基础上,将高超声速飞行器本体模型与所设计的观测器一起构成新的严反馈系统,结合反步法与动态面设计控制器。另外,引入扩张状态观测器补偿系统观测误差及耦合项。利用Lyapunov理论证明了闭环系统的一致有界稳定。最后,在不同情况下的数值仿真校验了所提控制方案在存在较大参数不确定情况下可获得理想的指令跟踪效果。     

远程操控飞行器自适应神经网络观测器设计

针对无人飞行器远程操控系统设计时,由于远程操控飞行器动力学的非线性和飞行器控制系统性能的不确定性,无法精确建立远程操控飞行器控制系统模型的问题,提出了一种自适应神经网络状态观测器设计方法实现对远程操控飞行器的控制系统模型的估计。首先将飞行器的动力学环节与自动驾驶仪构成的闭环回路作为一个整体建立了远程操控飞行器控制系统的非线性模型。然后针对模型中存在未建模动态的问题,采用神经网络算法对非线性动力学模型进行在线辨识,并引入鲁棒项对附加扰动进行抑制。最后设计自适应律对神经网络的权值进行实时调整,保证了系统的稳定性,并基于Lyapunov理论证明了观测器的估计误差是最终一致有界的。仿真结果表明,所设计的观测器能够保证远程操控飞行器在存在未建模动态和附加扰动的情况下对飞行状态具有良好的估计性能。     

基于观测器的线性离散信息融合预见控制算法

线性离散信息融合预见控制算法本质上是一种状态反馈最优控制算法,针对实际工程中部分状态不易直接测量的问题,研究了基于状态观测器的线性离散信息融合预见控制算法,并证明了在该算法中运用观测器设计状态反馈仍然具有分离特性,控制律和观测器的设计互不影响。通过将观测器的所有极点配置到原点,可以让观测状态的初始估计误差快速收敛。基于吊车系统的仿真研究表明了运用观测器设计信息融合预见控制系统的有效性。     

基于增广观测器的非线性系统执行器故障诊断

针对一类满足李普希茨条件的非线性系统,提出了一种新的执行器故障诊断方法。将执行器故障作为增广状态向量的一部分构造一个增广系统,然后利用线性矩阵不等式方法设计一个增广状态观测器,能够同时获得原系统的状态和执行器故障的渐近估计。利用李亚普诺夫理论分析了增广状态观测器的稳定性和收敛性。最后,将所提出的方法用于卫星姿态控制系统执行器的故障诊断,仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于自适应模糊观测器的挠性航天器主动振动抑制方法研究

针对一类挠性航天器的柔性附件主动振动抑制问题,提出了自适应模糊观测器及变结构反馈控制律的设计方法.所设计的观测器是一种非线性广义Luenberger自适应观测器,采用模糊系统逼近非线性函数,并不需要引入航天器本体姿态信息,结构简单.最后通过数字仿真验证了该方法的有效性.     

基于状态观测器的高超音速飞行器动态面反步控制

针对高超音速飞行器严格反馈不确定非线性MIMO系统,考虑系统状态不可完全测量的问题,提出一种基于状态观测器的反步控制方法.该方法在系统具有不确定项的情况下,充分利用角速率信号和系统建模信息设计滑模观测器,实现对高超音速飞行器气流角的估计,并通过理论推导出了观测器的收敛条件和观测器增益矩阵的计算方法;基于反步法设计气流角跟踪控制律,分别采用指令滤波和动态面方法得到气流角指令和虚拟控制量的一阶导数,以Lyapunov方法证明闭环系统跟踪误差最终有界收敛.仿真结果表明,在系统存在不确定项且气流角不可测的条件下,所设计方法依然可以实现气流角的稳定跟踪.     

基于RBF神经网络及Luenberger观测器的反演设计

针对高超声速飞行器部分状态发生不可测量问题,提出基于观测器的系统控制器设计。将所设计的被观测系统在某平衡点处线性化,用Luenberger观测器理论设计观测器增益,得到渐近收敛于系统真实状态的状态观测值。采用状态观测器与控制器分开设计的方法,应用反演控制技术,引入指令滤波器,使得伪控制量的导数可以轻易获得,简化了设计。针对系统中存在高频未建模动态,采用RBF神经网络对其进行逼近,以增强系统的跟踪性能。利用Lyapunove稳定性理论保证闭环系统有界且跟踪误差收敛于原点附近的小邻域内。通过在六自由度模型上的仿真,表明了所提方法的可行性与有效性。     

含扩张状态观测器的高超声速飞行器动态面姿态控制

针对高超声速飞行器复杂非线性、高不确定性和强通道耦合等特点,提出了一种飞行器姿态控制的非线性设计方法。根据高超声速飞行器无动力飞行的姿态运动方程组,给出一个可面向姿态控制的非线性设计模型。针对一类非线性系统,提出了一种基于扩张状态观测器（ESO）的动态逆设计方法,并通过动态面控制理论,将其应用于高超声速飞行器的三通道姿态控制中。仿真结果表明,相比基于传统动态逆的动态面控制方案,本文所提出的控制方案可以保证飞行器快速、精确地跟踪角位置指令,并且具备针对系统不确定性的强鲁棒性能。     

基于综合观测器的执行器过程故障量精确诊断

执行器的非线性与输出不可得在一般复杂动力学系统中具有典型性,而其过程故障量的精确诊断是个前沿难点问题.针对该问题,研究一种面向控制系统和执行器的综合观测器方法.提出一种适用于带有非线性执行器复杂系统的新型自适应观测器方法,可克服输出量不可直接获得的条件限制,实现故障诊断并获得执行器真实输出估计;基于执行器输出估计与控制器输出量,采用扩张状态观测器实现过程故障量精确估计,从而为主动容错故障调节提供诊断依据.以卫星姿态控制系统飞轮摩擦力矩增大这一典型非线性执行器故障的过程故障量精确诊断为应用实例验证了本文方案的有效性及优越性.     

基于观测器的高超声速飞行器模糊自适应控制

针对高超声速飞行器输出跟踪问题,提出了一种基于观测器的分层模糊自适应鲁棒控制器的设计方法。本文设计了一种基于分层模糊系统的间接自适应控制器,减少在线辨识参数的数量;同时设计非线性干扰观测器(NDO)对系统复合干扰进行估计补偿;最后引入鲁棒补偿控制项,克服传统非线性干扰观测器的限制条件,并利用Lyapunov理论证明了整个系统的稳定性。仿真结果表明,该方法不仅能够保证高超声速飞行器具有良好跟踪性能,而且具有很强的鲁棒性。     

空间拦截红外末制导中的状态估计

本文首先简要地介绍了基于两种规范型的非线性状态观测器的设计方法，然后用该法解决了空间拦截红外末制导中拦截器与目标相对距离的估计问题，仿真结果表明估计的效果良好。     

自由漂浮柔性航天器的非线性扰动观测器设计

为提高控制策略的效率,考虑航天器的平动和转动与柔性附件的振动相互耦合作用,对一种用于估计柔性附件对自由漂浮航天器主体平动和姿态转动影响的非线性扰动观测器(NDO)设计进行了研究。将自由漂浮航天器简化为自由运动的中心刚体柔性梁(FHB)系统,用浮动坐标系建立了系统的动力学模型,并用假设模态法对柔性附件进行离散以方便计算。将与不可观测状态相关的项作为等效扰动项,并假设其为慢变且有界,设计了扰动观测器。因考虑了柔性附件对航天位姿的扰动,设计的扰动观测器具渐近收敛性和鲁棒性。构建了Lyapunov函数,从理论上证明了该观测器的收敛性。用无外力输入的自由运动和受迫运动两个数值仿真算例验证扰动观测器的有效性,结果表明设计的扰动观测器估值与真实值基本一致。研究为后续包含扰动补偿的控制器设计奠定了基础。     

基于鲁棒滑模观测器的高超声速飞行器双环滑模控制

针对高超声速飞行器非线性动力学系统中存在的高度非线性、多变量耦合及参数不确定等问题,设计了一种基于鲁棒滑模观测器的双环滑模控制方法。该方法首先利用设计的鲁棒滑模观测器在线估计系统的不确定性及未知干扰,在此基础上,通过设计滑模变结构控制器来实现对不确定性的抑制控制,从而实现对制导指令的鲁棒输出跟踪。仿真结果验证了该方法能较理想地估计干扰,保证系统良好的鲁棒性。     

基于动态观测器的多故障诊断技术的应用研究

针对卫星这类复杂系统多故障诊断的难题,研究了一种基于动态观测器的多故障诊断方法.该方法通过改变动态观测器的结构,使之对某一故障具有鲁棒性,从而简化了设计一族观测器的复杂性.给出了动态观测器的设计方法和多故障诊断策略,并在某卫星姿控系统中进行了仿真应用.仿真结果表明,适用于复杂系统的多故障诊断与分离,并可实现诊断的实时性.     

带随机时延的网络控制系统鲁棒滑模观测器

针对一类具有未知外界干扰的网络控制系统,通过对误差动态系统进行线性变换,将网络时延对观测误差系统的影响转化为满足匹配条件的有界不确定项,根据滑模控制理论,在原闭环系统的反馈回路,提出一种鲁棒滑模观测器的设计方法。基于Lyapunov理论,证明观测误差系统对时延引起的不确定项和外部干扰均具有鲁棒性,并证明所设计的观测器可以保证误差系统渐进收敛到所构造的滑模面,且滑模面误差变量渐进收敛到平衡点。通过对控制律的改进,降低系统抖振。同时将观测器的参数设计问题转化为线性矩阵不等式问题,给出观测器系统参数矩阵的设计方法,并进一步给出优化的求解过程,从而避免过大的观测器输入。通过对一种柔性关节机器臂的网络化系统仿真,验证所提方法的有效性。     

卫星编队飞行的无速度测量非线性鲁棒控制

本文基于带有界干扰的线性动力学模型，研究了卫星编队飞行中的相对位置控制问题。首先，在线性二次型最优控制的基础上，设计了一种非线性控制律，并使用李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的稳定性。接着，通过对线性系统状态观测器进行改进，得到了一种非线性速度观测器，观测误差被证明是渐近收敛的。观测器与控制律的结合实现了无速度测量的控制，闭环系统被证明是渐近稳定的。文末的数值仿真验证了理论分析。     

基于RO-NUIO/LMI的挠性卫星轨控期间姿控系统故障诊断

卫星轨控期间,由于推力偏心,会产生较大的干扰力矩,直接影响卫星姿态。针对轨道控制期间的挠性卫星姿态控制系统,设计了干扰解耦的降阶非线性未知输入观测器(RO-NUIO),用于故障检测与故障隔离。在设计过程中,首先通过坐标变换,使得不可观的状态及部分可观状态不受干扰影响,然后针对不可观的子系统利用可观状态的信息设计观测器,观测器中的部分参数利用LMI方法获得,可以弱化非线性部分对观测器的影响。所设计观测器的存在条件仅依赖于系统本身特性,无需在线验证。观测器采用降阶设计,同时借助LMI思想,结构简单,适合于非线性卫星姿态控制系统。仿真结果验证了降阶非线性未知输入观测器实现卫星姿态控制故障诊断的可行性与有效性。