基于未知输入观测器方法的非线性切换系统故障检测

基于非线性未知输入观测器方法对一类离散时间非线性切换系统的故障检测问题进行了研究。给出了两种不同结构的非线性未知输入观测器。针对每一种观测器都考虑了两种切换信号:任意时间切换信号和满足平均驻留时间的切换信号。在任意切换信号下,使用了切换Lyapunov函数的方法来设计非线性未知输入观测器的参数;在满足平均驻留时间切换信号下,使用了多Lyapunov函数方法进行观测器参数的设计。然后利用已知的非线性未知输入观测器,得到残差生成器,进而实现故障检测。通过数值仿真例子,验证了故障检测方法的有效性。     

基于观测器的不确定非线性系统L1自适应控制

针对一类严格块反馈型不确定非线性系统,采用反步设计方法提出了一种新的基于滑模状态观测器的L1自适应控制方案。由于系统状态不完全可测,首先设计滑模观测器对系统状态进行估计,并分析观测器的收敛性,在此基础上,通过反步法得到系统的理想控制律。为了消除反步控制中的“项数膨胀”,引入非线性跟踪微分器来提取理想控制律的微分信号。为提高系统响应的瞬态性能,消除控制输入的高频振荡,引入L1自适应控制对控制律进行改进,通过理论推导证明了闭环系统的稳定性。最后通过数值仿真算例验证了所设计控制方案具有快速的收敛性、良好的跟踪性等期望性能。     

基于扩张状态观测器的标量混沌信号同步系统

将扩张状态观测器与控制器的backstepping设计相结合,给出了一种标量混沌信号同步控制方案。该方案将产生参考混沌信号的驱动系统看作具有规范形或类规范形的系统,构造具有严格反馈形式的非线性系统作为响应系统,利用扩张状态观测器估计驱动系统的状态和未知结构信息,采用backstepping方法设计出控制器。应用该同步控制方案,可以在驱动系统结构和参数未知及不要求混沌参考信号连续可导的前提下,实现构造响应系统的输出渐近同步于任意标量混沌信号。理论分析与计算机仿真结果均证实了控制方案的有效性。     

Control for a Class of Stochastic Mechanical Systems Based on the Discrete-Time Approximate Observer

This paper investigates the observer-based control problem of a class of stochastic mechanical systems. The system is modelled as a continuous-time It o stochastic differential equation with a discrete-time output. Euler-Maruyama approximation is used to design the discrete-time approximate observer, and an observer-based feedback controller is derived such that the closed-loop nonlinear system is exponentially stable in the mean-square sense. Also, the authors analyze the convergence of observer error when the discrete-time approximate observer servers as a state observer for the exact system. Finally, a simulation example is used to demonstrate the effectiveness of the proposed method.     

Design of unknown input observer with H∞ performance for linear time-delay systems

A unknown input observer (UIO) design for a class of linear time-delay systems when the observer error can't completely decouple from unknown input is dealt with. A sufficient condition to its existence is presented based on Lyapunov stability method. Design problem of the proposed observer is formulated in term of linear matrix inequalities. Two design problems of the observer with internal delay and without internal delay are formulated. Based on H∞ control theory in time-delay systems, the proposed observer is designed in term of linear matrix inequalities (LMI). A design algorithm is proposed. The effective of the proposed approach is illustrated by a numerical example.     

Design of unknown input observer with H∞ performance for linear time-delay systems

A unknown input observer (UIO) design for a class of linear time-delay systems when the observer error can't completely decouple from unknown input is dealt with. A sufficient condition to its existence is presented based on Lyapunov stability method Design problem of the proposed observer is formulated in term of linear matrix inequalities. Two design problems of the observer with internal delay and without internal delay are formulated Based on H_∞ control theory in time-delay systems, the proposed observer is designed in term of linear matrix inequalities (LMI). A design algorithm is proposed The effective of the proposed approach is illustrated by a numerical example     

一类线性时滞系统的未知输入观测器设计

以一类线性时滞系统为研究对象,研究了当观测误差与未知输入完全解耦时的未知输入观测器设计问题。基于时滞系统Lyapunov稳定性方法,给出了指数稳定未知输入观测器的存在条件。基于这一条件,提出了含有内部时滞与不含有内部时滞两种观测器的设计问题。通过求解线性矩阵不等式给出了所提观测器的设计方法。给出了两种情形下的观测器设计算法。数值例子说明了提出的设计方法的有效性。     

基于干扰补偿的拦截弹新型反演姿态控制

针对同时具有未知干扰以及输入饱和与死区特性的大气层内拦截弹姿态控制系统,提出了一种基于干扰补偿的自适应动态面控制器设计方法。该方法通过设计改进的非线性干扰观测器(nonlinear disturbance observer, NDO)对未知干扰进行抑制,利用径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络逼近输入饱和引起的非线性项,通过设计参数自适应律在线估计未知死区边界。通过构造合适的Lyapunov函数,证明闭环系统状态一致终结有界。仿真结果表明,所提方法鲁棒性良好,在输入非线性和未知干扰作用下,依然能良好地跟踪指令信号。     

基于参考模型的线性时不变系统的故障诊断

首次将模型参考自适应思想引入控制系统的故障诊断，提出了一种基于参考模型的新型故障诊断方法。该方法首先利用带有未知输入状态观测器观测出系统状态，然后通过观测状态和参考模型的状态构造出残差信号，再利用最小二乘法估计出故障的幅值大小，并给出了估计误差的计算公式。仿真结果表明了该方法的有效性。     

基于参考模型的线性时不变系统的故障诊断

首次将模型参考自适应思想引入控制系统的故障诊断 ,提出了一种基于参考模型的新型故障诊断方法。该方法首先利用带有未知输入状态观测器观测出系统状态 ,然后通过观测状态和参考模型的状态构造出残差信号 ,再利用最小二乘法估计出故障的幅值大小 ,并给出了估计误差的计算公式。仿真结果表明了该方法的有效性     

基于虚拟孔径投影的共形阵MIMO雷达发射波形设计

为了克服共形阵天线单元指向互异带来波形旁瓣高的缺点,该文以圆弧阵为例,提出一种基于虚拟孔径投影的共形阵多输入多输出(multiple input multiple output，MIMO)雷达发射波形设计方法。该方法首先对各阵元指向进行精确建模,并通过共形阵虚拟投影方法,获得规则虚拟投影阵列;其次向量化发射信号矩阵,将发射波形设计问题转为发射信号协方差矩阵降秩问题;最后通过log det heuristic 算法获得针对该虚拟阵列波形设计的凸优化数学模型,并利用凸优化工具箱对其求解。仿真结果表明,相较于现有方法,该方法能够对共形阵MIMO雷达设计更低旁瓣的发射波形。     

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。     

非仿射非线性系统的自适应模糊输出反馈控制

针对一类单输入单输出非仿射非线性系统,提出了基于观测器的自适应模糊输出反馈控制。该算法通过构造线性误差观测器估计系统输出误差和系统状态,利用估计状态变量和估计输出误差变量设计自适应控制律,采用模糊逻辑系统在线消除非线性系统中的不确定模型,引入监督控制消除系统逼近误差和外界干扰,并利用Lyapunov方法严格证明了在该控制律作用下闭环系统所有信号一致最终有解,闭环系统的输出能最终跟踪期望输出。仿真结果表明了该方法的有效性。     

一类严格反馈时滞系统的自适应输出反馈控制

针对一类单输入单输出的严格反馈时滞系统研究跟踪控制问题。该控制系统包含不确定项、输出约束、未知死区特性和未知时间延迟。首先,设计一个状态观测器来估计无法测量的系统状态;其次,利用径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络去逼近未知的系统内部动态;同时,利用障碍李雅普诺夫(Lyapunov)函数确保输出约束及Lyapunov-Krasovskii方法消除时滞项对系统的影响;最后,基于Lyapunov稳定性理论,构造一个鲁棒自适应神经网络输出反馈控制器,并且克服了过参数问题。结果显示,设计的神经网络输出反馈控制器可以保证闭环系统中的所有信号都是半全局最终一致有界的,跟踪误差能收敛到零值小的领域内。文中通过两个例子进一步验证了提出方法的有效性。     

基于干扰观测器的轮廓误差耦合控制研究

针对多轴运动的轮廓误差，提出了基于干扰观测器的轮廓误差耦合控制。该方法通过构造干扰观测器来预测各单轴系统的内部和外部干扰，并根据预测到的干扰信息对各轴进行补偿以消除干扰对系统的影响。考虑到系统的动态特性，拟采用模糊神经网络对干扰信号进行动态分配，并依据轮廓误差耦合控制思想补偿到各轴，达到轮廓误差最小控制。而文章采用遗传算法对网络进行训练以加快网络训练速度，且不易陷入局部最小。仿真结果证明其可行性与有效性。     

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。     

Design and simulation of fault diagnosis based on NUIO/LMI for satellite attitude control systems

This paper presents a scheme of fault diagnosis for flexible satellites during orbit maneuver. The main contribution of the paper is related to the design of the nonlinear input observer which can avoid false alarm arising from the disturbance from orbit control force. The effects of orbit control force on the fault diagnosis system for satellite attitude control systems, including the disturbing torque caused by the misalignments and the model uncertainty caused by the fuel consumed, are discussed, where standard Luenberger observer cannot work well. Then the nonlinear unknown input observer is proposed to decouple faults from disturbance. Besides, a linear matrix inequality approach is adopted to reduce the effect of nonlinear part and model uncertainties on the observer. The numerical and semi-physical simulation demonstrates the effectiveness of the proposed observer for the fault diagnosis system of the satellite during orbit maneuver.     

基于虚拟阵元内插的互质阵列目标DOD和DOA联合估计算法

传统算法通常采取舍弃互质阵列的“差联合”阵列形成离散虚拟阵元,只利用其中连续虚拟阵元进行离波方向角(direction of departure, DOD)和波达方向角(direction of arrival, DOA)联合估计,存在自由度提升受限、估计性能不佳等问题。对此,提出基于虚拟阵元内插的互质阵列目标DOD和DOA联合估计算法。首先,将两个互质子阵以零点为中心布列,分别构成双基地多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)雷达的发射阵列和接收阵列,该布阵结构将传统的虚拟阵元由阵列“差联合”结构形式变成“和联合”结构形式,降低了虚拟阵列的冗余度。其次,在形成的虚拟阵元基础上,通过在虚拟阵列孔洞位置内插虚拟阵元使其连续,对于内插的虚拟阵元无实际接收信号问题,基于最小化核范数优化理论,采用协方差矩阵Toeplitz化重建的方式恢复内插虚拟阵元的等价接收信号,利于所有虚拟阵元层面的角度联合估计。最后,针对因角度配对导致的高运算量问题,结合降维多重信号分类(reduced dimension multiple signal classification, RD-MUSIC)算法使角度自动配对,从而减小算法运算复杂度。有效提高了目标分辨力和角度联合估计性能,仿真实验验证了算法的有效性。     

基于滑模观测器的偏置动量卫星姿态跟踪控制

针对在偏航姿态测量信息未知时偏置动量卫星姿态跟踪控制,提出了一种新的滑模观测器及其对应的自适应滑模控制器设计方法。基于滚动轴和俯仰轴信息,设计了一种经过平滑的滑模观测器,抑制高频抖震的同时提高状态估计的鲁棒性;设计的比例积分滑模面,能实现积分滑模控制,抑制稳态误差,优化滑模的全程鲁棒性,并采用自适应方法,对不确定参数进行在线更新,补偿不确定参数的影响。数值仿真结果表明,相对于龙伯格观测器,该方法能提高偏航姿态信息估计精度,在保证系统鲁棒性的同时,滚动和偏航轴姿态跟踪精度分别提高约50%。