基于干扰观测器的重复使用运载器再入段滑模控制方法研究

发布时间：2020-10-20 22:43

　　 重复使用运载器(Reusable Launch Vehicle,RLV)作为低成本、可靠的空天运输手段,已经成为世界各航天大国正在重点研究并进行多次实验验证的对象。重复使用运载器具有多次安全可靠进出大气层及回收能力,并且能够精确地将载荷送入轨道,因此可大幅度降低运输、发射成本。但由于RLV具有跨空域、跨速域的飞行特点,其飞行过程中速度和高度变化较大、姿态变化剧烈,飞行器模型呈现强耦合和非线性等特点,同时外界存在严重干扰,模型参数存在不确定性,使得RLV控制系统设计成为其领域内研究难点之一。本文针对RLV的上述难点问题,为实现RLV可靠安全再入,重点开展RLV再入姿态控制问题研究。定义了RLV再入段需要用到的坐标系、坐标系转换关系、角度及角度几何关系,针对RLV再入段的飞行特征,通过受力和力矩分析,建立了RLV再入数学模型,为了使模型可直接应用于现有的控制方法,对模型进行适当简化,推导出RLV再入段面向控制系统设计的数学模型。由于RLV再入段飞行高度变化大,速度和姿态变化剧烈,再入过程中大气环境复杂,从而导致高速大姿态再入过程中气动特性复杂。针对RLV的外形结构特点,设计了三维模型,采用基于计算流体力学的方法对RLV气动系数进行了模拟计算,得出气动系数表。在建立模型时,将气动系数中的摄动项处理为模型不确定性,通过干扰观测器进行观测补偿,与传统采用多项式拟合等方式进行处理相比,简化了模型,提高控了制精度。考虑到RLV在再入飞行阶段,严重的外界干扰以及模型不确定性对系统有严重影响,文中提出基于自主学习干扰观测器的姿态控制方法,处理存在大干扰、不确定性的RLV再入段系统的鲁棒姿态控制问题。首先根据奇异摄动理论和时标分离原则,将RLV再入姿态模型系统分为内、外环子系统;然后分别设计基于Sigmoid函数的扩张状态观测器和自主学习干扰观测器,观测和补偿系统中的不确定性和外界干扰带来的影响;在此基础上,分别设计内、外环子系统改进的多元超螺旋滑模控制器,完成RLV再入段姿态跟踪控制,实现了精确跟踪制导指令,同时对系统中的抖动有效地抑制;最后,通过仿真对比分析基于不同观测器的控制方案,验证了本文所提出的控制方法的优势。针对RLV再入段可能出现综合扰动(括执行机构故障、模型不确定性以及外界干扰等),提出基于Sigmoid函数的迭代学习干扰观测器的自适应有限时间收敛容错控制方法。文中首先针对RLV再入段的执行机构可能出现的故障类型进行分析并建立了故障力矩数学模型;然后设计一种新型基于Sigmoid的迭代学习干扰观测器,用于对系统中存在的综合扰动进行观测和补偿;在此基础上设计了一种自适应有限时间收敛控制器,实现对RLV姿态有限时间跟踪;最后设置不同的故障类型工况,对所提出的容错控制方法的有效性和鲁棒性进行了分析和验证。针对RLV的多异类执行机构控制分配问题,提出了RLV多异类执行机构混合规划控制分配方法。首先分析了RLV再入段的执行机构功能和特性;在此基础上,设计了基于序列二次规划的气动舵控制分配、基于Mamdani模糊控制及决策机制的RCS控制分配以及基于动压剖面的异类执行机构分配方案;最终,设置不同工况,对文中提出的混合规划控制分配策略与伪逆控制分配策略进行对比仿真实验,验证了所提出的混合规划控制分配策略的合理性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V448.2
【部分图文】：

在其基础上，完成了飞行试验，同时验证性[13]。中期，美国国家航天局展开基于火箭动力的运载研目分别为 X-33 和 X-34 项目。其中，X-33 是一架单级证机，通过对该项目的研究，能够降低 RLV 技术风。在此基础上，X-34 项目验证机最大速度能够达到 2的论证，单级入轨 RLV 的技术难度非常大，因此，V 技术[3]。~1999年7月，依照计划，NASA与波音公司共同研卫星轨道上飞行和再入大气层能力的X-37B，如图 1飞行到全球任何目标位置的“上空”，通过其携带的行器进行控制、抓捕甚至攻击摧毁。该飞行器的最军用雷达技术难以捕捉，因此其具有“轨道轰炸机”通过长达十年的试验研究，X-37B 首次试飞成功。入轨道，在轨道飞行一周后，自主重返大气层，滑翔界 RLV 研究的里程碑，同时标志着再入返回技术的日

哈尔滨工业大学工学博士学位论文一次的成功回收一级有动力垂直回收[14]。猎鹰9号子级，一子级在火箭的一、二级分离后垂直返回，道后再入大气层垂直返回，其回收计划如图 1-2 所术的可行性，为运载器重复使用技术打下了坚实的eX 首次实现了回收的一级火箭的重复使用，进一步可行性以及技术的可实现性。2018年2月7号，重时回收着陆，标志着世界迎来了低成本的航天时代

级助推火箭同时回收着陆，标志着世界迎来了低成本的航天时代。图 1-2 猎鹰9号回收计划Fig. 1-2 Falcon 9 recycle plan2019 年 4 月 12 日，SpaceX 第二次发射猎鹰重型火箭，这也是第一次进行商射，猎鹰重型火箭由 SpaceX 公司位于佛罗里达州的肯尼迪航天中心发射台，它由三枚猎鹰 9 号火箭组成，并排放置，共有 27 个引擎，可产生 2313 吨。在发射后 2 分 36 秒左右，三枚助推器成功分离，其中两侧的助推器在佛罗州海岸线的混凝土平台着陆，中心助推器在大西洋的无人驾驶回收船上着陆， 1-3 所示。
【参考文献】

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本文编号：2849256