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可重复使用运载器固定时间姿态跟踪控制研究

尤明  
【摘要】:可重复使用运载器是各国正在大力发展的新型航空航天飞行器,具有重要的军事价值和民用价值。由于其大空域、跨速域的飞行特点,飞行器模型呈现出强烈的非线性及耦合特性,并受到模型不确定、外界干扰及风扰动的影响,使得再入姿态控制成为一项极具挑战的研究课题。本文围绕这一课题,以实现可重复使用运载器安全稳定再入飞行为目的,基于固定时间收敛控制理论对再入姿态控制问题进行研究。首先,基于非奇异终端滑模方法,对可重复使用运载器再入过程中的姿态控制问题进行研究。将再入模型进行简化处理,视姿态角跟踪误差及其导数为新的状态量,将姿态控制模型转化为二阶系统形式;设计非奇异终端滑模面,并设计固定时间收敛控制律,保证姿态角跟踪误差在固定时间内收敛到零。其次,基于一致鲁棒精确干扰观测器的固定时间综合控制策略,对可重复使用运载器再入过程中的姿态控制问题进行研究。针对姿态角跟踪误差的微分方程,设计一致鲁棒精确干扰观测器,实现对不确定项的固定时间精确估计;设计固定时间非奇异终端滑模控制器,保证姿态角跟踪误差在固定时间内收敛到零;利用李雅普诺夫技术完成观测器-控制器闭环系统的稳定性证明。再次,基于多变量超螺旋固定时间综合控制策略,对可重复使用运载器再入过程中的姿态控制问题进行研究。根据多时间尺度原理,将可重复使用运载器姿态控制分为姿态角子系统和姿态角速率子系统:基于多变量超螺旋滑模固定时间控制算法完成观测器-控制器综合设计,保证姿态角跟踪误差在固定时间内收敛到零。最后,考虑风扰动对再入飞行器的影响,基于快速非奇异终端滑模固定时间控制方法,对风扰动影响下的大升阻比再入飞行器的姿态控制问题进行研究。推导风扰动影响下的六自由度模型;以风速变化形式将风扰动引入到再入飞行器姿态控制模型中;设计固定时间控制器,保证姿态角在模型不确定、外界力矩干扰和风扰动同时存在情况下固定时间实现对参考指令的跟踪。


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