Adaptive Finite-Time Control for a Flexible Hypersonic Vehicle with Actuator Fault

The problem of robust fault-tolerant tracking control is investigated. Simulation on the longitudinal model of a flexible air-breathing hypersonic vehicle (FAHV) with actuator faults and uncertainties is conducted. In order to guarantee that the velocity and altitude track their desired commands in finite time with the partial loss of actuator effectiveness, an adaptive fault-tolerant control strategy is presented based on practical finite-time sliding mode method. The adaptive update laws are used to estimate the upper bound of uncertainties and the minimum value of actuator efficiency factor. Finally, simulation results show that the proposed control strategy is effective in rejecting uncertainties even in the presence of actuator faults

Indirect adaptive higher-order sliding-mode control using the certainty-equivalence principle

Seit den 50er Jahren werden große Anstrengungen unternommen, Algorithmen zu entwickeln, welche in der Lage sind Unsicherheiten und Störungen in Regelkreisen zu kompensieren. Früh wurden hierzu adaptive Verfahren, die eine kontinuierliche Anpassung der Reglerparameter vornehmen, genutzt, um die Stabilisierung zu ermöglichen. Die fortlaufende Modifikation der Parameter sorgt dabei dafür, dass strukturelle Änderungen im Systemmodell sich nicht auf die Regelgüte auswirken. Eine deutlich andere Herangehensweise wird durch strukturvariable Systeme, insbesondere die sogenannte Sliding-Mode Regelung, verfolgt. Hierbei wird ein sehr schnell schaltendes Stellsignal für die Kompensation auftretender Störungen und Modellunsicherheiten so genutzt, dass bereits ohne besonderes Vorwissen über die Störeinflüsse eine beachtliche Regelgüte erreicht werden kann. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Thema, diese beiden sehr unterschiedlichen Strategien miteinander zu verbinden und dabei die Vorteile der ursprünglichen Umsetzung zu erhalten. So benötigen Sliding-Mode Verfahren generell nur wenige Informationen über die Störung, zeigen jedoch Defizite bei Unsicherheiten, die vom Systemzustand abhängen. Auf der anderen Seite können adaptive Regelungen sehr gut parametrische Unsicherheiten kompensieren, wohingegen unmodellierte Störungen zu einer verschlechterten Regelgüte führen. Ziel dieser Arbeit ist es daher, eine kombinierte Entwurfsmethodik zu entwickeln, welche die verfügbaren Informationen über die Störeinflüsse bestmöglich ausnutzt. Hierbei wird insbesondere Wert auf einen theoretisch fundierten Stabilitätsnachweis gelegt, welcher erst durch Erkenntnisse der letzten Jahre im Bereich der Lyapunov-Theorie im Zusammenhang mit Sliding-Mode ermöglicht wurde. Anhand der gestellten Anforderungen werden Regelalgorithmen entworfen, die eine Kombination von Sliding-Mode Reglern höherer Ordnung und adaptiven Verfahren darstellen. Neben den theoretischen Betrachtungen werden die Vorteile des Verfahrens auch anhand von Simulationsbeispielen und eines Laborversuchs nachgewiesen. Es zeigt sich hierbei, dass die vorgeschlagenen Algorithmen eine Verbesserung hinsichtlich der Regelgüte als auch der Robustheit gegenüber den konventionellen Verfahren erzielen.Since the late 50s, huge efforts have been made to improve the control algorithms that are capable of compensating for uncertainties and disturbances. Adaptive controllers that adjust their parameters continuously have been used from the beginning to solve this task. This adaptation of the controller allows to maintain a constant performance even under changing conditions. A different idea is proposed by variable structure systems, in particular by the so-called sliding-mode control. The idea is to employ a very fast switching signal to compensate for disturbances or uncertainties. This thesis deals with a combination of these two rather different approaches while preserving the advantages of each method. The design of a sliding-mode controller normally does not demand sophisticated knowledge about the disturbance, while the controller's robustness against state-dependent uncertainties might be poor. On the other hand, adaptive controllers are well suited to compensate for parametric uncertainties while unstructured influence may result in a degraded performance. Hence, the objective of this work is to design sliding-mode controllers that use as much information about the uncertainty as possible and exploit this knowledge in the design. An important point is that the design procedure is based on a rigorous proof of the stability of the combined approach. Only recent results on Lyapunov theory in the field of sliding-mode made this analysis possible. It is shown that the Lyapunov function of the nominal sliding-mode controller has a direct impact on the adaptation law. Therefore, this Lyapunov function has to meet certain conditions in order to allow a proper implementation of the proposed algorithms. The main contributions of this thesis are sliding-mode controllers, extended by an adaptive part using the certainty-equivalence principle. It is shown that the combination of both approaches results in a novel controller design that is able to solve a control task even in the presence of different classes of uncertainties. In addition to the theoretical analysis, the advantages of the proposed method are demonstrated in a selection of simulation examples and on a laboratory test-bench. The experiments show that the proposed control algorithm delivers better performance in regard to chattering and robustness compared to classical sliding-mode controllers

Observability studies for spacecraft attitude determination based on temperature data

Die Schätzung und Steuerung der Fluglage ist elementar für jede Raumfahrzeugmission. Die erforderliche Genauigkeit hängt von der jeweiligen Mission und ihren Nutzlasten ab. Ein funktionierendes Lageregelungssystem ist jedoch immer unverzichtbar, um die Zielgenauigkeit und Stabilität der Nutzlasten zu gewährleisten, die für den Erfolg der Mission entscheidend sind. Daher ist es sinnvoll, redundante Methoden zur Schätzung und Regelung der aktuellen Fluglage einzusetzen. Diese Arbeit fokussiert sich primär auf die Lageschätzung. Hierbei wird untersucht ob und wie Temperaturmessungen für die Lagebestimmung genutzt werden können. Diese Untersuchung wird durchgeführt, indem die zugrundeliegenden mathematischen Beschreibungen der Fluglage sowie der Temperaturdynamik betrachtet werden. Auf deren Grundlage wird dann ein Beobachter zur Lageschätzung entwickelt, der sich hauptsächlich auf die Temperaturdaten von zwei verschiedenen Sensorkonfigurationen stützt. In der ersten Konfiguration wird nur ein einziger Temperatursensor verwendet, dessen Informationen mit Gyroskopmessungen fusioniert werden, um die Lage zu bestimmen. Dies wird durch eine Transformation in Normalform und eine neuartige Lagebeschreibung erreicht. Auftretende Mehrdeutigkeiten bei der Lagebestimmung sowie alternative Beobachterdesigns werden vorgestellt. Die Analyse zeigt, dass mit dem vorgeschlagenen Beobachter lokale Aussagen zur Lageschätzung getroffen werden können - vorausgesetzt, die verwendeten Modelle und Messungen sind ausreichend genau und es steht genügend Rechenleistung zur Verfügung. In der zweiten Konfiguration werden sechs Paare von Temperatursensoren betrachtet. Jedes Paar besteht aus zwei Sensoren mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften und zeigt in Richtung einer anderen Raumfahrzeugachse. Diese Sensorsignale enthalten genügend Informationen, um die Fluglage zu rekonstruieren, ohne dass die Verwendung von Ableitungen höherer Ordnung erforderlich ist. Es wird ein Algorithmus vorgeschlagen, der die Position der Sonne und der Erde schätzt und diese zur Bestimmung der Lage verwendet. Die Beobachter für beide Konfigurationen verwenden eine Transformation in eine kanonische Form, um ihre Schätzungen zu erhalten. Die resultierenden Beobachter sind daher sowohl in den transformierten als auch in den ursprünglichen Koordinaten formuliert. Während diese Beobachter unter Annahmen die häufig in der Literatur verwendeten werden äquivalent sind, kann es, sobald diese Annahmen fallengelassen werden, zu einer Reihe interessanter Phänomene wie Mehrdeutigkeit der Lösungen und sogar Instabilität kommen. Diese Phänomene werden an unserem vorgestellten System veranschaulicht und es werden Methoden vorgeschlagen, um sie zu bewältigen. Die für die zweite Konfiguration entworfenen Beobachter werden auf die von der Raumsondenmission GRACE erhaltenen Daten angewandt. Dabei hat sich gezeigt, dass die vorgeschlagenen Modelle für die Temperaturschätzung mit einem R2-Wert zwischen 78,8 % und 99,9 % gut geeignet sind. Die vorgeschlagenen Algorithmen erlauben eine Genauigkeit mit einem mittleren Fehler über eine Umlaufbahn von weniger als fünf Grad und lassen sich nachweislich leicht durch zusätzliche Messungen ergänzen.Attitude estimation and control is fundamental for every spacecraft mission. Accuracy requirements are strongly dependant on mission level goals and the respective payloads and experiments. However, it is always essential for the mission success to have a functioning attitude control system to allow a high pointing accuracy and stability of the payloads. Therefore, it is useful to employ redundant means to estimate and control the current attitude. The estimation of the attitude is the main topic of this work in which the information contained in temperature measurements for attitude estimation is investigated. This investigation is carried out by providing the underlying mathematical descriptions of the attitude as well as temperature dynamics. Different observer designs are considered based on these models to estimate the attitude relying mostly on the temperature data obtained from two different sensor configurations. In the first configuration, only a single temperature sensor is employed and the information is fused with gyroscope measurements to determine the attitude. This is achieved based on a transformation into normal form and a novel attitude description. Arising ambiguities in the attitude estimation, as well as alternative observer designs are presented. The analysis shows that with the proposed observer, it is possible to estimate the attitude provided that the employed models and measurements are sufficiently accurate and that enough computational power is available. The second configuration considers six pairs of temperature sensors. Each pair consists of two sensors with different physical properties and every pair points into a different body axis. These sensor signals contain enough information to reconstruct the attitude without requiring the usage of higher-order derivatives. An algorithm is proposed that estimates the position of the Sun and Earth and uses these to estimate the attitude. The observers for both configurations use a transformation of the system dynamics into canonical form to obtain a formulation of the problem that allows for estimation. The resulting observers are therefore formulated in transformed and original coordinates. While these observers are equivalent under assumptions widely used in literature, the moment these assumptions are dropped, a number of interesting phenomena such as ambiguity of the solutions and even instability can occur. These phenomena are illustrated by the system of interest and methods are proposed to deal with them. The designed observers for the second configuration are applied to the data obtained from the spacecraft mission GRACE. The results indicate that the proposed models are well suited for the temperature estimation with a R2 value between 78.8% and 99.9%. The proposed algorithms admit an accuracy with a mean error over an orbit of less than five degrees and are shown to be easily augmented with additional measurements

Sliding Mode Control

The main objective of this monograph is to present a broad range of well worked out, recent application studies as well as theoretical contributions in the field of sliding mode control system analysis and design. The contributions presented here include new theoretical developments as well as successful applications of variable structure controllers primarily in the field of power electronics, electric drives and motion steering systems. They enrich the current state of the art, and motivate and encourage new ideas and solutions in the sliding mode control area