水面舰船动力定位系统ESO输入饱和控制

为解决现实服役海洋环境下,模型参数未知的水面舰船动力定位系统的控制问题,考虑执行器输入有界、舰船运动状态信号难测量等工程因素的限制,提出一种动力定位的状态观测饱和控制算法。首先,对非线性扩张状态观测器(extended state observer, ESO)在含有未知饱和控制输入结构下的状态观测能力进行分析,在原有假设条件的基础上制定一条附加假设条件,并分析该观测系统的合理性。接下来,将非线性ESO的特例(即线性ESO)应用于对舰船运动状态变量的实时观测,设计自适应律对模型的阻尼项和执行器不确定增益进行在线估计,进而得到各个执行器可变螺距形式的控制输入,引入动态辅助系统处理执行器的输入饱和限制。仿真结果表明:相比于传统的动力定位系统控制策略,所提出的控制策略在保证高定位精度和合理收敛速度要求的同时,更符合工程实际。     

基于MPC的无人机航迹跟踪控制器设计

针对固定翼无人机航迹跟踪问题,采用基于状态扩展的双反馈模型预测控制理论对控制器进行设计。首先推导基于侧向偏差的无人机侧向航迹跟踪模型,采用动态逆方法对模型进行线性化处理,在此基础上设计基于状态扩展的双反馈模型预测控制器,并采用量子粒子群优化(quantum particle swarm optimization, QPSO)算法对控制器参数进行优化,考虑无人机飞行过程中受到的未知干扰,引入扩张状态观测器(extended states observer, ESO)对干扰进行观测,进一步提高系统的鲁棒性,并结合实际工程应用对系统进行数学仿真。仿真结果表明,基于状态扩展双反馈模型预测控制的无人机侧向航迹跟踪控制器,能够在系统存在模型不确定性与受到动态干扰时对期望航迹进行准确、稳定的跟踪。     

可旋转翼式弹道修正组件滚转控制技术研究

针对可旋转翼式弹道修正组件滚转通道控制中存在的未建模摩擦干扰、参数不确定性和外部随机干扰造成的复合扰动问题,提出一种基于扩张状态观测器(extended state observer, ESO)的滑模控制方法。首先建立弹道修正组件滚转通道模型,将动力学模型中存在的外部干扰、未建模摩擦干扰和参数摄动整合为复合干扰,然后设计ESO对修正组件滚转通道模型中难以直接测定的状态变量以及复合干扰进行估计,并基于估计值结合滑模控制理论设计滚转通道控制器,实现对滚转角指令的精确跟踪。综合考虑ESO和滑模控制器构成的闭环控制系统,利用Lyaponov稳定性理论证明了所设计的闭环控制系统的稳定性。最后,通过仿真实验分析,证明所设计的修正组件滚转通道控制器,对滚转角指令的瞬态响应和稳态性能优异,同时可以有效抑制系统复合扰动,具备较强的鲁棒性。     

线性时滞系统的鲁棒故障诊断

研究了一类含有未知输入干扰和模型不确定性的时滞系统故障诊断问题。通过变换,原系统被分成两个子系统,一个子系统不受故障的影响,可以设计鲁棒观测器;另一个子系统受到故障的影响,但是它的状态可以通过测量得到。设计的观测器利用解析冗余方法能够对执行器故障和传感器故障进行诊断。仿真结果表明,算法具有良好的诊断性能。     

高超声速飞行器自抗扰姿态控制器设计

针对高超声速飞行器无动力再入过程中具有强耦合、气动参数摄动及不确定性的非线性姿态模型,结合自抗扰控制中的扩张状态观测器(extended state observer, ESO)及非线性状态误差反馈律(nonlinear law state error feedback, NLSEF),分别设计了高超声速飞行器内环和外环自抗扰姿态控制器。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NLSEF抑制补偿残差。自抗扰控制器(active disturbance rejection control, ADRC)设计无需精确的飞行器被控模型,也无需精确的气动参数及摄动界限。仿真结果表明,控制系统能够克服干扰及气动参数大范围摄动的影响,在获取良好的动态品质和跟踪性能的同时,具有较强的鲁棒性。     

基于LPV的超空泡航行体H∞抗饱和控制

针对超空泡航行体在运动过程中面临的执行器饱和问题,提出一种基于线性变参数(linear parameter varing ,LPV)的抗饱和控制方法。首先在航行体动力学模型基础上考虑执行器饱和非线性因素,将滑行力和执行器分别建模为时变参数的仿射函数,最终得到系统矩阵仿射依赖于时变参数的LPV模型,同时,该模型也考虑了噪声干扰条件下控制器的鲁棒性。基于该LPV模型,运用多面体理论和Lyapunov方法设计了不依赖于时变参数的静态状态反馈控制器。仿真结果表明,所设计的控制器可以保证航行体在执行器发生饱和时仍能渐近跟踪给定深度指令,且在零初始条件下具有对噪声的H∞抑制性能。     

不确定非线性时滞系统的鲁棒可靠控制

研究一类不确定非线性时滞系统的状态反馈鲁棒可靠控制问题。系统包含状态时滞、控制输入时滞、参数不确定性和未知的非线性扰动。目的是设计线性无记忆状态反馈控制器 ,使得对于任意容许的不确定性以及在一个预先指定的执行器子集合中执行器的失效 ,相应的闭环系统渐近稳定。最后给出一个数值例子验证了所给结果的有效性     

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。     

基于自抗扰的反步滑模制导控制一体化设计

针对导弹末制导段的制导控制问题,基于自抗扰控制和反演终端滑模控制,提出了一种导弹制导控制一体化设计算法。利用块严格反馈系统描述一体化模型,将存在的模型误差、目标机动等看做未知干扰。采用扩张状态观测器对系统不确定性和干扰进行估计和补偿。设计反步终端滑模控制方法实现导弹的姿态控制。仿真证明了设计的一体化算法可以获得较小的脱靶量,系统对存在的内外干扰和不确定性具有较强的鲁棒性。     

非匹配不确定性条件下的编队分布式协同控制

针对非匹配不确定性、饱和输入等约束条件下的编队协同控制问题展开研究。通过引入辅助系统和扩张状态观测器实现对系统状态的实时跟踪;设计了滑模扰动观测器,实现在有限时间内精确估计系统的全部未知扰动;在此基础上,提出了反馈控制协议,显著改善了系统控制性能,有效降低了计算负担,使得通过选择合适参数能够保证状态追踪误差收敛到有界域内;最后通过Lyapunov稳定性理论对控制系统稳定性进行严格证明。数值算例验证了控制协议有效性,结果表明所设计的控制协议能够满足复杂约束条件下的编队协同控制要求。     

Full-order sliding mode control for high-order nonlinear system based on extended state observer

In this paper, a full-order sliding mode control based on extended state observer (FSMC+ ESO) is proposed for high-order nonlinear system with unknown system states and uncertainties. The extended state observer (ESO) is employed to estimate both the unknown system states and uncertainties so that the restriction that the system states should be completely measurable is relaxed, and a full-order sliding mode controller is designed based on the ESO estimation to overcome the chattering problem existing in ordinary reduced-order sliding mode control. Simulation results show that the proposed method facilitates the practical application with respect to good tracking performance and chattering elimination.     

输入约束下的浮力调节式UUV变深控制

针对浮力调节机构约束下无人水下航行器(unmanned underwater vehicle, UUV)的变深控制问题,提出一种基于正交神经网络饱和补偿器的自适应动态面控制方法。首先,建立考虑执行机构动态特性的UUV数学模型。在此基础上,采用反步法和非线性跟踪微分器设计动态面控制器,同时引入线性扩张状态观测器(linear extended state observer, LESO)在线估计浮力变化与模型不确定性引起的干扰,继而在控制器中进行补偿。然后,基于正交神经网络设计饱和补偿器,并证明闭环系统所有误差一致最终有界。仿真结果表明,与现有的动态面控制方法相比,所提方法在浮力调节机构约束下,具有较好的动态性能与稳态精度。     

Constrained cooperative control design for distributed morphing wing systems

An efficient design method is proposed for the cooperative control problem of morphing wing systems with distributed structures and bounded control inputs. The multi-agent model of the distributed morphing wing system is established. The cooperative controllers with saturation constraints are presented. By introducing the concepts in consensus algorithms, the cooperative information links in the controllers are described by graphs, and the corresponding Laplacian matrix is defined. The design conditions of the cooperative controllers are proposed, in the form of linear matrix inequalities. For the case of undirected information links, the controller design conditions are simplified as algebraic inequalities, which highly reduce the computation cost. The designed controllers are implemented on a distributed morphing wing platform, and experiments are carried out. Simulation and experiment results show that the controllers can make all the actuating units in the morphing wing system cooperatively achieve the desired positions, which demonstrates the effectiveness of the proposed theory.     

Super-twisting扩张状态观测器在四旋翼飞行器故障重构中的应用

针对四旋翼飞行器姿态控制系统的故障重构问题,提出一种基于super-twisting算法的扩张状态观测器,以扩张状态的形式对飞行器执行机构故障进行直接估计,同时实现了旋翼增益故障的故障隔离与精确重建。为抑制外部扰动对观测器稳定性的影响,一般需要将观测器的增益设置较大,但同时会引发噪声扩展问题。因此引入了观测器参数的自适应调整算法,在保证观测器稳定收敛的同时降低了噪声对故障重构精度的影响。此外,基于李雅普诺夫方法证明了滑模观测器的渐近收敛特性,并通过数值仿真验证了观测器对故障重构的有效性。仿真结果表明所构建的故障观测器能够迅速地对执行机构故障做出反应，并在外界扰动存在的情况下对故障程度实现准确估计。     

Super-twisting扩张状态观测器在四旋翼飞行器故障重构中的应用

针对四旋翼飞行器姿态控制系统的故障重构问题,提出一种基于super-twisting算法的扩张状态观测器,以扩张状态的形式对飞行器执行机构故障进行直接估计,同时实现了旋翼增益故障的故障隔离与精确重建。为抑制外部扰动对观测器稳定性的影响,一般需要将观测器的增益设置较大,但同时会引发噪声扩展问题。因此引入了观测器参数的自适应调整算法,在保证观测器稳定收敛的同时降低了噪声对故障重构精度的影响。此外,基于李雅普诺夫方法证明了滑模观测器的渐近收敛特性,并通过数值仿真验证了观测器对故障重构的有效性。仿真结果表明所构建的故障观测器能够迅速地对执行机构故障做出反应，并在外界扰动存在的情况下对故障程度实现准确估计。     

A Composite Adaptive Fault-Tolerant Attitude Control for a Quadrotor UAV with Multiple Uncertainties

In this paper, a composite adaptive fault-tolerant control strategy is proposed for a quadrotor unmanned aerial vehicle (UAV) to simultaneously compensate actuator faults, model uncertainties and external disturbances. By assuming knowledge of the bounds on external disturbances, a baseline sliding mode control is first designed to achieve the desired system tracking performance and retain insensitive to disturbances. Then, regarding actuator faults and model uncertainties of the quadrotor UAV, neural adaptive control schemes are constructed and incorporated into the baseline sliding mode control to deal with them. Moreover, in terms of unknown external disturbances, a disturbance observer is designed and synthesized with the control law to further improve the robustness of the proposed control strategy. Finally, a series of comparative simulation tests are conducted to validate the effectiveness of the proposed control strategy where a quadrotor UAV is subject to inertial moment variations and different level of actuator faults. The capabilities and advantages of the proposed control strategy are confirmed and verified by simulation results.

     

基于扩张观测器的输入受限四旋翼飞行器轨迹跟踪动态面输出反馈控制

针对速度不可测和输入受限的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制问题,考虑系统存在模型动态不确定和外界干扰未知的情况,提出一种输入受限四旋翼飞行器轨迹跟踪动态面输出反馈控制方法。该方法首先设计非线性扩张状态观测器估计飞行器系统的速度和广义扰动,然后结合反演法和动态面技术设计动态面轨迹跟踪控制律,以降低控制算法的复杂性,同时引入双曲正切函数解决控制输入饱和问题,并构造辅助方程降低饱和效应,最后选取李雅普诺夫函数证明闭环系统所有信号一致最终有界。以大疆M100飞行器为目标进行控制仿真,结果表明,所设计的输出反馈控制器能够有效地处理飞行器系统控制输入受限、速度不可测和未知干扰问题,实现飞行器精确轨迹跟踪控制。     

基于扰动观测器的伺服控制器设计及仿真研究

利用扰动观测器减弱系统的量测噪声和外部扰动,利用抗漂移的状态反馈控制器来减弱驱动饱和的影响,将这两种策略综合用于伺服控制器的设计并重点对这种方案进行了仿真对比研究。仿真结果表明基于扰动观测器的伺服系统在扰动及量测噪声不大,且系统模型参数变化不大的情况下具有较高的动态性能及较高的跟踪精度并能克服饱和约束的不良影响。     

基于超螺旋滑模的船载稳定平台镇定控制

针对存在动态不确定与未知外界扰动的船载稳定平台, 提出基于超螺旋扩张状态观测器(super-twisting extended state observer, STESO)的超螺旋滑模(super-twisting sliding mode, STSM)镇定控制方案。构造STESO, 为平台的动态不确定以及未知外界扰动引起的总扰动提供在线估计, 再依据超螺旋算法设计船载平台STSM镇定控制律, 使得船载平台上支撑面渐近调节于惯性空间中某一期望的位姿不变。仿真及比较结果验证了所设计的船载平台镇定控制律具有较高的鲁棒性、扰动估计精度及镇定控制精度。