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基于Terminal滑模的空天飞行器再入鲁棒自适应控制

黄国勇  
【摘要】: 空天飞行器(ASV)是新一代的航空航天器,它将填补临近空间(Near Space)航空航天活动的空白,并且具有极其重要的军事价值。ASV再入大气层的飞行环境变化剧烈、干扰大,因而其姿态控制系统的设计是一项非常前沿的研究课题。本文围绕这一问题,对ASV再入飞行的高精度、强稳定、快速自适应鲁棒控制问题展开了较为深入的研究。 首先,在实验室已有成果的基础上,建立了ASV的再入模型,其控制系统包含反作用发动机(RCS)和控制舵面,以满足不同飞行阶段的控制要求。然后对其开环性能进行了分析,结果表明该模型具有复杂的非线性、耦合性以及快速时变性等特点,具有一定的代表性,可以为后续的研究工作提供参考。 其次,基于Terminal滑模控制方法研究了ASV再入飞行控制系统的设计问题。在对综合干扰进行一定假设的条件下,得到了具有有限时间收敛特性的Terminal滑模闭环控制系统,可以保证系统跟踪误差在有限时间内收敛到零,从而提高了系统的响应速度。为了消除前述假设,提出另一种基于神经网络的自适应Terminal滑模控制方案,可以在线消除系统的综合干扰,并对闭环稳定性进行了严格的证明。两种方案都在ASV高超声速再入飞行条件下进行了仿真验证。 随后,为了更有效消除综合干扰的影响,且易于工程应用,提出了基于模糊干扰观测器的自适应Terminal滑模控制方法,并基于Lyapunov稳定性理论给出了严格的稳定性证明。进一步,通过改进模糊干扰观测器的自适应律,设计了快速模糊干扰观测器,大大加快了其逼近速度,并将其应用到ASV再入飞控系统的设计中。最后的仿真结果进一步显示了该方法的优越性。 在第五章中,重点研究了闭环系统的有限时间收敛特性和自适应律运算效率的问题。为了明确得到基于快速模糊干扰观测器的闭环系统的收敛时间,保留了模糊系统的逼近误差。此时,闭环系统误差不再收敛到零,而是收敛到可以任意小的某些区域。本章研究的另一个问题是如何减轻机载计算机的运算量。通过提出一种新型参数自适应律,将模糊系统在线调整的参数减少到两个,大大提高了运算效率。 第六章首先分析了Terminal滑模面设计参数对滑模区域及达到时间的影响,然后设计了基于T-S模糊模型的时变自适应Terminal滑模控制系统。该方法采用T-S模糊系统在线逼近综合干扰,且时变滑模面有利于增大滑模区域,提高系统的鲁棒性,缩短到达时间。 最后,研究了ASV状态观测器的设计问题。在考虑系统量测噪声的情况下,对系统进行两次扩张,设计了基于超扭曲算法(Super-twisting)的新型扩张状态观测器,保证观测误差在有限时间内收敛到零。接着利用可以测量的状态,结合精确微分器,对ASV未知状态进行了估计,该方法简单,精度高,易于工程应用。


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