可重复使用运载器自适应多变量固定时间预设控制方法技术

本发明专利技术涉及航空航天飞行器控制技术领域，为实现在飞行器受到上界未知匹配与非匹配干扰的情况下能够调节RLV再入姿态跟踪误差的收敛时间，保证姿态跟踪误差能够在期望的时间内收敛，提高RLV快速机动能力和鲁棒性，本发明专利技术，可重复使用运载器自适应多变量固定时间预设控制方法，步骤如下：第一部分，RLV姿态动力学模型建立：建立带有匹配和非匹配干扰的RLV姿态动力学方程和姿态跟踪误差动态方程；第二部分，外环子系统预设性能控制器设计；第三部分，内环子系统预设性能控制器设计：通过设计控制力矩，实现姿态角速率在存在上界未知干扰影响的情况下能够稳定跟踪外环子系统所设计的虚拟控制量。本发明专利技术主要应用于航空航天飞行器控制场合。制场合。制场合。

【技术实现步骤摘要】
可重复使用运载器自适应多变量固定时间预设控制方法


[0001]本专利技术涉及航空航天飞行器控制
，尤其涉及一种可重复使用运载器姿态跟踪控制领域。具体讲,涉及可重复使用运载器自适应多变量固定时间预设性能姿态跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着航天运输的快速发展，可重复使用运载器(RLV，Reusable Launch Vehicle))越来越受到人们的重视。RLV是一种能够将有效载荷多次发射到太空的系统，可以大大降低进入太空的成本，在航天运输系统的发展中发挥着重要作用，具有重要的民用和军用价值。RLV模型具有高非线性、强耦合特性、不确定、快时变、非最小相位等特性，且飞行环境复杂，对飞行器的控制系统提出了极高的要求。RLV再入阶段姿态控制理论的研究有利于提高RLV自主飞行能力，实现复杂飞行环境下飞行姿态的精确跟踪。
[0003]目前国内外相关学者基于RLV姿态跟踪控制问题进行了大量的研究，取得了丰硕的研究成果。最初，许多线性控制方法被应用于RLV姿态跟踪控制之中。常用的线性控制方法包括：PID、增益调度、线性二次调节、线性变参数控制等。然而，基于线性的控制器设计方法很难克服系统中的非线性因素、状态耦合、扰动、参数变化及状态约束的影响，因此难以取得很好的闭环控制性能。
[0004]由于线性控制方法在RLV姿态跟踪控制上的局限性，近年来基于非线性控制理论的控制方法得到了长足的发展。常用的非线性控制方法包括：1)反步控制：该方法主要思想是将非线性系统控制问题分解为若干不超过系统阶次的子系统，再分别设计使得各个子系统稳定的虚拟控制器，然后依次逐步反推控制器和李雅普诺夫函数，最后获得原系统的整体控制律以实现对系统的全局稳定跟踪。反步控制方法对飞行器控制系统中存在的非匹配不确定有着良好的抑制能力。然而，反步控制由于存在虚拟控制器的重复微分，其输出可能会呈指数增长，出现“微分爆炸”问题，从而增加了控制系统设计的复杂性。2)滑模控制：滑模控制是一种特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性。滑模控制区别于其他非线性控制方法之处在于其系统的“结构”是根据系统状态按照期望“滑模动态”的状态轨迹运动。这种滑动模态不仅对系统不确定具有较强的鲁棒性，而且可以通过对它的设计使系统获得期望的动态性能。按照滑模面函数设计的不同，滑模控制又可进一步分为线性滑模、积分滑模、终端滑模、高阶滑模及超螺旋滑模等。3)智能控制：目前智能控制在RLV上的应用主要包括模糊控制、神经网络控制等方法。模糊控制方法对于处理上界未知的模型不确定和外部扰动具有良好的效果，然而目前基于模糊控制设计的模糊控制器通常比较简单，难以适应复杂系统的控制要求。神经网络控制能够实时逼近RLV时间模型，从而提高控制系统的鲁棒性，但通常引入较多的控制参数，从而降低了RLV系统的计算效率。4)预设性能控制：现有的RLV姿态控制方法虽然能较好的保证飞行器姿态控制的稳定性和鲁棒性问题，但往往存在着忽略超调量和稳态误差等品质的问题。随着对控制精度和控制性能要求的提升，预设性能控制受到了RLV控制领域的广泛关注。其核心思想是对受控系统的状态人
为设定性能包络，通过性能包络函数的收敛特性来刻画受控系统的瞬态和稳态性能。
[0005]目前，从RLV控制研究现状来看，无论是线性控制方法还是非线性控制方法设计的RLV姿态控制器，只能实现对姿态跟踪误差的渐近收敛或有限时间收敛，无法预先定义收敛时间实现固定时间收敛。其次，在已有的控制算法中，一般只考虑存在匹配干扰情况下的RLV姿态控制器设计问题，并且扰动的上界必须是已知的。此外，现有的RLV姿态控制器通常只考虑系统的稳态性能，忽略了动态性能。
[0006]针对上述问题，本专利技术针对具有未知上界的匹配和非匹配干扰影响下的RLV姿态控制系统，提出了一种自适应多变量固定时间预设性能姿态跟踪控制方法。该方法能够确保RLV姿态控制系统在固定时间内在具有未知上界的匹配和非匹配干扰影响下，姿态角跟踪参考姿态角的同时，保证系统的稳态与动态性能。

技术实现思路

[0007]为克服现有技术的不足，综合考虑具有未知上界的匹配和非匹配干扰、动态及稳态特性对RLV姿态控制性能的影响，本专利技术旨在提出一种RLV自适应多变量固定时间预设性能控制方法。该控制器不仅可以在飞行器受到上界未知匹配与非匹配干扰的情况下能够调节RLV再入姿态跟踪误差的收敛时间，保证姿态跟踪误差能够在期望的时间内收敛，还可将再入姿态跟踪误差限制在一个不受扰动上界约束的区域内，并能在预设时间内收敛到零的邻域内。本专利技术提出的RLV姿态控制方法，旨在改善RLV姿态跟踪性能和抗干扰能力，提高RLV快速机动能力和鲁棒性。为此，本专利技术采用的技术方案是，可重复使用运载器自适应多变量固定时间预设控制方法，步骤如下：
[0008]第一部分，RLV姿态动力学模型建立：考虑再入飞行过程中，RLV飞行高度变化范围广，飞行速度变化剧烈，引起流速、温度变化对RLV飞行造成的影响，建立带有匹配和非匹配干扰的RLV姿态动力学方程和姿态跟踪误差动态方程；
[0009]第二部分，外环子系统预设性能控制器设计：通过设计虚拟控制量，实现姿态角在存在上界未知干扰影响的情况下能够稳定跟踪参考姿态角，保证姿态跟踪误差始终限制在一个不受干扰上界约束的预设区域内，并且在固定时间内收敛到零的邻域内；
[0010]第三部分，内环子系统预设性能控制器设计：通过设计控制力矩，实现姿态角速率在存在上界未知干扰影响的情况下能够稳定跟踪外环子系统所设计的虚拟控制量，保证姿态角速率跟踪误差始终限制在一个不受干扰上界约束的预设区域内，并且在固定时间内收敛到零的邻域内。
[0011]详细步骤如下：
[0012]第一步，RLV姿态动力学模型建立，考虑RLV的固有特性以及在飞行过程中可能出现的外部匹配和非匹配干扰，建立如下所示的RLV姿态动力学模型：
[0013][0014]式中，为姿态角向量，其中φ,θ,分别为攻角、侧滑角和倾侧角，ω＝[p,q,r]T
为角速度向量，其中p,q,r分别为滚转角速度、俯仰角速度和偏航角速度，u＝[u
x
,u
y
,u
z
]T
为控制力矩向量，其中u
x
,u
y
,u
z
分别为滚转、俯仰和偏航力矩，Δ1(t)和Δ2(t)分
别为非匹配干扰和匹配干扰，I∈R3×3为对称正定矩阵，代表转动惯量，表示如下：
[0015][0016]矩阵R和Ω定义如下
[0017][0018][0019]条件1：考虑系统(1)，非匹配干扰Δ1(t)和匹配干扰Δ2(t)均存在未知上界，即存在未知正常数L1和L2，使得不等式||Δ1(t)||≤L1和||Δ2(t)||≤L2成立；
[0020]接下来，建立RLV姿态跟踪误差动态方程。考虑满足条件1的系统(1)，定义误差向量e1＝Θ
‑
Θ
ref
，则RLV姿态跟踪误差动态方程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可重复使用运载器自适应多变量固定时间预设控制方法，其特征是，步骤如下：第一部分，RLV姿态动力学模型建立：考虑再入飞行过程中，RLV飞行高度变化范围广，飞行速度变化剧烈，引起流速、温度变化对RLV飞行造成的影响，建立带有匹配和非匹配干扰的RLV姿态动力学方程和姿态跟踪误差动态方程；第二部分，外环子系统预设性能控制器设计：通过设计虚拟控制量，实现姿态角在存在上界未知干扰影响的情况下能够稳定跟踪参考姿态角，保证姿态跟踪误差始终限制在一个不受干扰上界约束的预设区域内，并且在固定时间内收敛到零的邻域内；第三部分，内环子系统预设性能控制器设计：通过设计控制力矩，实现姿态角速率在存在上界未知干扰影响的情况下能够稳定跟踪外环子系统所设计的虚拟控制量，保证姿态角速率跟踪误差始终限制在一个不受干扰上界约束的预设区域内，并且在固定时间内收敛到零的邻域内。2.如权利要求1所述的可重复使用运载器自适应多变量固定时间预设控制方法，其特征是，详细步骤如下：第一步，RLV姿态动力学模型建立，考虑RLV的固有特性以及在飞行过程中可能出现的外部匹配和非匹配干扰，建立如下所示的RLV姿态动力学模型：部匹配和非匹配干扰，建立如下所示的RLV姿态动力学模型：式中，为姿态角向量，其中φ,θ,分别为攻角、侧滑角和倾侧角，ω＝[p,q,r]
T
为角速度向量，其中p,q,r分别为滚转角速度、俯仰角速度和偏航角速度，u＝[u
x
,u
y
,u
z
]
T
为控制力矩向量，其中u
x
,u
y
,u
z
分别为滚转、俯仰和偏航力矩，Δ1(t)和Δ2(t)分别为非匹配干扰和匹配干扰，I∈R3×3为对称正定矩阵，代表转动惯量，表示如下：矩阵R和Ω定义如下矩阵R和Ω定义如下条件1：考虑系统(1)，非匹配干扰Δ1(t)和匹配干扰Δ2(t)均存在未知上界，即存在未知正常数L1和L2，使得不等式||Δ1(t)||≤L1和||Δ2(t)||≤L2成立；接下来，建立RLV姿态跟踪误差动态方程。考虑满足条件1的系统(1)，定义误差向量e1＝Θ
‑
Θ
ref
，则RLV姿态跟踪误差动态方程表示为
式中，F为姿态跟踪误差方程中的标称项,u
′
为等效控制力矩，Δ3(t)和Δ4(t)分别为非匹配干扰和匹配干扰，Δ4′
(t)为等效匹配干扰；条件2：考虑系统式(2)和(3)，非匹配干扰Δ3(t)和等效匹配干扰Δ4′
(t)均存在未知上界，即存在正常数L3和L4，使得不等式||Δ3(t)||≤L3和||Δ4′
(t)||≤L4成立；第二步，外环子系统预设性能控制器设计，具体实现过程如下首先，给出预设性能函数和时变障碍函数的定义定义1固定时间收敛函数：若函数f(t,x0,t
f
)满足以下条件：1)f(0,x0,t
f
)非负且f(0,x0,t
f

【专利技术属性】
技术研发人员：田栢苓，李智禹，吴思元，宗群，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：