Backstepping-based active fault-tolerant control for a class of uncertain SISO nonlinear systems

Active fault-tolerant control is investigated for a class of uncertain SISO nonlinear flight control systems based on the adaptive observer, feedback linearization and backstepping theory. Firstly an adaptive observer is constructed to estimate the fault in the faulty system. A new fault updating law is presented to simplify the assumption conditions of the adaptive observer. The asymptotical stability of the observer and the uniform ultimate boundedness of the fault estimation error are guaranteed by Lyapunov theorem. Then a backstepping-based active fault-tolerant controller is designed for the faulty system. The asymptotical stability of the closed-loop system and uniform ultimate boundedness of the tracking error are proved based on Lyapunov theorem. The effectiveness of the proposed scheme is demonstrated through the numerical simulation of a flight control system.     

含执行器非线性的多操纵面飞机自适应跟踪控制

针对含执行器非线性多操纵面飞机跟踪控制困难的问题,基于控制分配提出了一种鲁棒自适应神经网络控制方法。推导了含执行器非线性的多操纵面飞机控制分配方程。设计了自适应神经网络对系统中的非线性不确定项进行补偿,并引入鲁棒项消除了外界干扰和系统误差。利用Lyapunov稳定性定理证明了闭环系统的所有信号都是有界收敛的,且跟踪误差渐近趋于0。仿真结果验证了方法的有效性。     

基于T-S模型的不确定NNCS鲁棒容错保性能设计

针对一类具有时变时延和丢包的不确定非线性网络化控制系统,基于T-S(Takagi-Sugeno)模糊模型,通过构造适当的Lyapunov-Krasovskii泛函,得出在执行器发生失效故障的情形下,系统基于线性矩阵不等式的渐近稳定且具有良好动态性能的时滞依赖充分条件,并给出了最优鲁棒容错保性能控制器的设计方法。由于证明中没有进行任何模型变换,并考虑了时延下界,使结果具有较少保守性。最后,仿真示例验证了本文所述方法的有效性和可行性。     

考虑输入输出受限的无人机自适应滑模容错控制

针对存在执行器故障、控制输入饱和与状态约束的无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)姿态控制系统,提出一种新的基于反步法的具有有限时间收敛的自适应滑模姿态容错控制方法。首先,为了抑制执行器故障以及外部干扰的影响,采用自适应和干扰观测器技术,实现对干扰的双重抑制。然后,设计动态辅助系统与障碍Lyapunov函数,证明在输入饱和与状态约束的条件下,闭环姿态控制系统可以在有限时间内稳定,且系统中所有信号最终是有界的。最后,对于小型无人系统的姿态跟踪问题进行性能仿真与对比仿真研究。仿真结果表明,所提出的容错控制方法能够保证在执行机构发生故障时控制系统的有效性,并且该方法具有良好的性能。     

考虑输入输出受限的无人机自适应滑模容错控制

针对存在执行器故障、控制输入饱和与状态约束的无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)姿态控制系统,提出一种新的基于反步法的具有有限时间收敛的自适应滑模姿态容错控制方法。首先,为了抑制执行器故障以及外部干扰的影响,采用自适应和干扰观测器技术,实现对干扰的双重抑制。然后,设计动态辅助系统与障碍Lyapunov函数,证明在输入饱和与状态约束的条件下,闭环姿态控制系统可以在有限时间内稳定,且系统中所有信号最终是有界的。最后,对于小型无人系统的姿态跟踪问题进行性能仿真与对比仿真研究。仿真结果表明,所提出的容错控制方法能够保证在执行机构发生故障时控制系统的有效性,并且该方法具有良好的性能。     

非线性系统的鲁棒容错控制

对非线性鲁棒容错控制的研究现状进行了综述。首先介绍了一些与非线性鲁棒容错控制密切相关的研究方向,包括非线性系统理论、鲁棒控制、自适应控制等。然后分被动式和主动式介绍了非线性系统鲁棒容错控制的研究现状;被动容错控制方面,主要介绍了可靠控制方法;主动容错控制通常需要解决三个问题:诊断、控制以及二者的综合,本文按照这个划分对主动式的研究现状进行了总结。最后,探讨了该领域的一些热点和难点问题。     

基于T-S模糊模型的网络控制系统鲁棒H∝容错控制

针对同时存在网络时延和数据包丢失的网络环境,研究了执行器故障下一类非线性网络控制系统的鲁棒H_∞容错控制问题。基于不确定T-S模糊模型描述的非线性网络控制系统模型,考虑了更实际、更常见的执行器部分失效情况。通过引入一个积分不等式,获得了此类系统的时滞相关鲁棒稳定性条件,且采用锥补线性化算法给出了此类系统的鲁棒H_∞容错控制器设计方法。仿真算例表明,对于任意容许的不确定性以及执行器故障,所设计的控制器能使系统鲁棒渐近稳定,且具有H_∞范数界。       

无人机姿控系统鲁棒动态面容错控制设计

针对含有不确定和执行器故障的无人机姿态控制系统,提出了一种鲁棒自适应动态面容错控制方法。在设计中,首先提出由非线性阻尼技术抵消不确定性及外界干扰,然后设计一种基于自适应动态面控制方法的容错控制策略,保证无人机在出现未知执行器故障情况下,其闭环姿态控制系统是全局渐近稳定的,实现姿态输出对制导指令的容错跟踪。最后对所提出的容错控制方法进行了某无人机非线性姿态控制系统的仿真验证, 结果表明了所提方法的有效性。     

具有状态和控制时滞系统的鲁棒容错控制研究

研究一类不确定时滞系统的鲁棒容错控制问题。针对既有状态滞后,又有控制输入滞后,且假定状态和控制输入的不确定项均是范数有界的线性系统,通过引入无记忆状态反馈控制器,基于Lyapunov稳定性理论和LMI方法,给出了一个在传感器完全失效或执行器完全失效故障情况下具有鲁棒容错性能的充分条件,并用求解线性矩阵不等式组方便地得到容错控制器设计结果。最后用算例验证了该设计方法的有效性和可行性。     

非线性系统执行器死区故障的鲁棒自适应控制

针对一类具有不对称执行器死区故障的不确定非线性系统,基于反推滑模控制原理提出了一种神经网络鲁棒自适应控制方案。通过简化死区故障模型,取消了模型倾斜度相等和边界对称条件,结合动态面控制避免了传统反推设计方法存在的计算复杂性问题。所提控制方案取消了控制方向已知的条件,消除了执行器死区故障的影响,使得系统输出趋于给定参考轨迹的一个小领域。仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于自适应快速终端滑模的航天器容错控制

针对执行机构发生故障时的航天器姿态控制问题,提出了一种基于自适应快速终端滑模的容错控制设计方法。该方法通过选择具有快速终端特性的滑模面,提高航天器容错控制的收敛速率,实现系统有限时间稳定|利用自适应控制方法在线调整控制器参数,消除对故障最小 值信息的依赖。仿真结果表明,与基于普通滑模控制器的容错控制相比,所提出的方法在保证系统鲁棒性和稳定性的同时,三轴姿态角和态角速度收敛时间可分别降低约54.5%和50%,实现快速有效的航天器容错控制。     

一类非线性系统的执行器组合故障自适应容错控制

针对一类具有执行器组合故障的多输入单输出非线性最小相位系统提出了自适应容错跟踪控制方案。考虑系统执行器卡死和部分失效组合故障,基于微分几何反馈线性化,设计了模型参考自适应容错控制算法。设计的控制律能够保证系统在执行器故障时闭环系统稳定,而且渐近跟踪给定的参考信号。仿真结果表明了所提方法的有效性。     

基于观测器的非线性系统执行器死区故障的自适应跟踪控制

研究了一类具有不对称执行器死区故障的非线性系统的跟踪控制问题。基于扩张观测器,提出了一种新的自适应跟踪控制方法。取消了系统所有状态完全可测的限制。在死区模型所有参数以及系统非线性不确定项上界均未知的情况下,所设计的自适应控制器可以很好地消除执行器死区故障的影响,保证跟踪误差有界。仿真结果表明该方法的有效性。     

未知非线性系统的神经网络跟踪控制与仿真研究

应用输入／输出反馈线性化方法和李亚普诺夫方法，研究了一类具有未知非线性函数的非线性动态系统的自适应鲁棒输出跟踪控制问题。首先通过坐标变换和输入变换，将非线性系统变换为部分线性可控系统。接着采用多层前向神经网络来逼近未知非线性函数，网络的权值根据李亚普诺夫原则来在线修正，这样就克服了多神经网络控制系统中存在的稳定性问题。同时，为了减少权值学习时间，应用遗传算法预先离线训练网络权值。最后提出了一个基于神经网络建模的自适应鲁棒控制律，给出了李亚普诺夫意义下的稳定性证明。所提出的控制律可确保相应闭环系统的状态及跟踪误差一致最终有界。所给的Van der pol系统的例子说明了所提控制方案的有效性与鲁棒性。     

基于神经网络的非线性系统的间接自适应控制

针对一类不确定非线性动态系统 ,利用多层神经网络系统MNNs的逼近能力 ,提出了一种间接鲁棒自适应神经网络控制器的设计方案。该方案不仅能够保证闭环系统的所有信号有界 ,而且理论分析证明了闭环系统的跟踪误差渐近收敛到零。仿真试验表明本控制算法是有效的。     

鲁棒自适应输出跟踪控制在船舶操纵中的应用

针对带有未知控制增益、常参数不确定性以及外部扰动的船舶运动非线性模型，将自适应逆推技术与Nussbaum增益方法相结合，提出一种新的非线性自适应鲁棒控制策略，实现了船舶运动航向渐近跟踪控制。在所得控制器作用下的系统性能不仅能够通过设计参数而得到保证，且可克服控制器奇异值问题。设计过程及数字仿真结果均表明，所设计的自适应非线性跟踪控制器对不确定性具有良好的适应性及鲁棒性。     

不确定非线性系统的鲁棒自适应跟踪简化算法

传统的Backstepping自适应控制方法需要对虚拟控制律进行求导,从而导致“计算复杂性膨胀”。动态平面控制技术能够克服这一缺陷。将这一技术扩展到一类具有参数严格反馈形式的不确定非线性系统输出跟踪,这类系统同时包含线性参数和未知非线性函数两种不确定性。所设计的控制算法比现有算法大大简化,解决了“计算复杂性膨胀”问题;运用Lyapunov理论证明了闭环系统一致最终有界,仿真结果表明了算法的有效性。     

基于后推技术的直接鲁棒自适应模糊控制

针对一类带摄动的严格反馈非线性系统,基于后推设计方法,利用第一类模糊系统的逼近能力,提出了一种新的直接自适应控制方案。该方案中引入连续鲁棒项对系统的摄动部分进行抑制,并在自适应律中利用了leakage项以防止参数漂移。通过理论分析,证明了闭环系统是半全局一致终结有界的,跟踪误差收敛到一个小的残差集内。仿真结果表明了该方法的有效性。     

严格区域稳定的模型参考自适应控制器设计

针对模型参考自适应控制的区域稳定性问题,采用Lyapunov直接法分析参数收敛与系统跟踪误差之间的关系。通过对系统误差项与参数估计项之间能量转移过程的描述,说明常规的区域稳定自适应控制器尚未充分考虑因估计参数振荡引起系统失稳的可能性。为此,提出一种简洁有效的区域稳定控制器设计方案,根据系统跟踪误差大小动态引入增益动态调整的鲁棒控制项,有效消除了控制中潜在的不稳定因素。基于SISO非线性系统的仿真研究验证了所提方案的有效性。     

一类非仿射受扰混沌系统的自适应模糊控制

针对一类带非仿射输入的不确定受扰混沌系统,提出了带监督控制项的自适应模糊控制。该方法采用模糊逻辑系统逼近虚拟控制中的未知函数,仅要求逼近误差范数有界。模糊参数采用σ自适应律,并给出参数的有界性证明。构造Lyapunov函数证明闭环系统所有信号一致有界,跟踪误差一致渐进稳定。将Duffing-Holmes系统、Genesio系统和Sprott电路混沌系统作为仿真对象,仿真结果验证了算法的有效性。