可重复使用运载器变结构姿态控制算法设计

详细介绍了混合使用气动舵面和反作用控制系统的变结构姿态控制系统的设计方法。该控制算法用于可重复使用运载器,对于具有高空域大马赫飞行、机动明显、通路间耦合严重的非线性不确定时为系统具有良好的控制精度和抗干扰鲁棒性。同时基于可重复使用运载器空间飞行轨迹、使用执行机构特性等因素,进行数学模型和控制律的简化设计和相应处理。仿真结果初步显示了基于变结构设计的PLV姿态控制算法可以确保对指令精确、鲁棒和解耦的跟踪能力,姿态误差小于1°,姿态响应超调量小于5%。     

高超声速飞行器姿态自适应解耦控制方法研究

研究飞行器优化姿态控制问题,高超声速飞行器具有的快时变、非线性、强耦合特性给姿态控制系统设计带来一定难度.针对飞行器的特性分析,将姿态动力学模型分解为姿态角与角速度跟踪的内、外两回路,采用动态逆方法设计了双回路控制系统结构,从而在实现完全解耦的同时有效降低了设计难度.同时针对动态逆方法过于依赖精确数学模型的局限性,设计PID神经网络控制器,利用神经网络的无限逼近能力调整自身网络权重矩阵参数值,使控制器对不确定因素与未知干扰具有一定的自适应能力.在标称和拉偏情况下进行仿真,结果表明,控制姿态角的跟踪超调量可在1.5％以内,侧滑角的耦合量不足1度,满足对飞行器控制优化的要求.     

Design of Neural Network Variable Structure Reentry Control System for Reusable Launch Vehicle

A flight control system is designed for a reusable launch vehicle with aerodynamic control surfaces and reaction control system based on a variable-structure control and neural network theory.The control problems of coupling among the channels and the uncertainty of model parameters are solved by using the method.High precise and robust tracking of required attitude angles can be achieved in complicated air space.A mathematical model of reusable launch vehicle is presented first,and then a controller of flight system is presented.Base on the mathematical model,the controller is divided into two parts：variable-structure controller and neural network module which is used to modify the parameters of controller.This control system decouples the lateraldirectional tunnels well with a neural network sliding mode controller and provides a robust and de-coupled tracking for mission angle profiles.After this a control allocation algorithm is employed to allocate the torque moments to aerodynamic control surfaces and thrusters.The final simulation shows that the control system has a good accurate,robust and de-coupled tracking performance.The stable state error is less than 1°,and the overshoot is less than 5%.     

稀薄大气层反作用控制系统设计方法

针对高层大气中反作用控制系统和气动舵的面对称飞行器控制问题,提出了反作用控制系统(RCS)的设计方法。为实现姿态的稳定控制,利用舵前馈进行力矩配平,并针对新系统提出了反作用控制系统的构成和功能。分别对关键子系统进行设计。在刚体状态估计器中,分别利用高通滤波器和低通滤波器进行姿态和角速度反馈信号的处理。根据高层大气中姿态控制系统的需求,采用最优控制方法进行相平面逻辑的设计和优化。根据动态处理方法给出了推力器选择逻辑。建立数学模型,通过仿真验证了方法的可行性和有效性。说明控制器满足高层大气中姿态控制系统的性能指标,稳态精度小于0.50。     

近空间无尾飞行器解耦与控制分配方法研究

关于飞行器稳定性优化控制问题,由于近空间无尾飞行器具有典型的通道间强耦合且多个操纵面介入单个通道控制,执行机构的复杂化和非线性导致控制系统设计实时性和响应性差,精度达不到要求。为提高姿态控制器控制精度,减小力矩分配误差,提出通过解耦控制系统和控制分配逻辑来分别解决对象的耦合和多操纵面的力矩分配问题。通过将动态逆设计方法与变结构控制理论相结合,设计了一种强鲁棒性的解耦控制律,并在加权伪逆算法的基础上,提出采用舵面偏角修正操纵面的效率矩阵,从而实现了强耦合非线性对象的高精度控制。仿真结果表明,控制器解耦效果良好且具有较强鲁棒性,控制分配算法减小了80%力矩分配误差,满足了飞行器的控制需求。     

基于方向加速法的RLV再入预测制导研究

针对可重复使用运载器(RLV)再入制导问题,为克服算法复杂度高、时效性差、以及环境扰动引起制导精度降低的问题,提出了一种基于修正方向加速法的再入预测制导方法,通过实时预测落点偏差及性能指标来在线搜索最优控制量增量。该方法以无约束极值理论为基础,将多约束的非线性最优化问题转化为无约束最优化问题。采用修正的方向加速法将多维搜索转化为一维搜索;同时进行最佳搜索方向替换,在性能指标收敛最快的方向上直接搜索可行解,降低了算法复杂度并提高了RLV抗扰动能力。仿真结果表明,与单纯形替换法相比,该方法可有效提高制导系统的时效性和精度,具有一定的工程应用价值。     

近空间飞行器再入段复合控制系统设计研究

针对近空间飞行器再入时飞行空域较大,为保证剧烈变化环境下的姿态控制能力,需采用脉冲推力器和气动舵进行复合控制.协调工作原理和特性不同的执行机构以满足系统性能指标.基于减小复合控制器构型影响考虑,采用前馈-反馈复合控制器,以气动舵子系统构筑前馈回路,将复合模式下的控制系统设计问题转化为RCS子系统单回路设计,并通过对极限环特性分析给出纵向非线性控制律设计方法.仿真验证表明了气动舵输出平缓、推力器满足最大工作频数限制、姿态误差小于0 5度.仿真结果证明,方法在处理含有异类执行机构的近空间飞行器复合控制律设计问题是有效的.     

固体推进器的拦截器末制导目标搜索研究

研究对末制导目标搜索优化控制问题,由于目标捕获是大气层外拦截器在中末制导交接班时必须完成的工作,针对制导交接班时的目标搜索算法和对应的快速姿态机动控制方法进行了研究.根据目标相对拦截器位置的概率分布,设计了一种考虑目标-拦截器相对运动的目标搜索算法.并以搜索时间、捕获概率为控制器指标,拦截器的姿态机动能力为基础,利用算法调节参数的选择.根据固体推进器拦截器的姿态运动特点,并给出了最终滑模控制的姿态跟踪控制器.并对搜索算法与姿控系统进行拦截器目标捕获数字仿真,分析了拦截器姿态跟踪的性能,以及搜索时间与目标位置的关系.结果表明,姿态跟踪误差小于0.5°,控制精度高,快速性好,可为搜索算法与拦截器姿控系统设计提供了科学依据.