基于扰动抑制的可重复使用助推器鲁棒姿态控制方法研究

摘要

可重复使用助推器是现阶段降低空间运输任务成本，提高航天运载系统效率的一种高效空间运载可行方案，能够配合不同上面级完成多种空间运输任务，同时又可为实现空间运载器系统完全可重复使用奠定基础。可重复使用助推器的飞行采用倾斜转弯机动，具有耦合性强、非线性强、参数时变快及干扰因素多等特点，姿态控制系统设计至关重要。论文以可重复使用助推器为对象，重点研究了基于扰动抑制的姿态控制系统鲁棒设计方法，主要研究内容和成果如下：
　　建立了可重复使用助推器质心和绕质心动力学与运动学方程，并以攻角、侧滑角和滚动角为控制变量，针对其运动特点，提出合理简化假设，详尽推导了倾斜转弯姿态运动三通道耦合模型。
　　提出了一种基于等效输入扰动和广义扩张状态观测器的控制设计方法，将非线性、不确定性和扰动视为施加在输入通道上的集总扰动，实现了系统三通道解耦和线性化，通过广义扩张状态观测器对扰动实时估计，应用线性状态反馈进行控制和补偿，同时，闭环稳定性也得到了证明。该方法仅需要单一观测量，对模型和扰动信息依赖较小，不需要进行模型变换，单点控制器设计即可满足全局性能，且三通道设计思路一致，设计方法统一，极大简化了控制系统设计复杂度。以可重复使用助推器工程算例为对象，将该方法应用于控制系统设计，对攻角、侧滑角和滚动角进行跟踪稳定控制，结合数值仿真分析，得到了令人满意的控制性能，说明了该方法的可行性。
　　应用增益调度PID控制和滑模动态逆控制对可重复使用助推器工程算例控制系统进行设计。增益调度以时间为调度变量，通过遗传算法和工程经验原则对PID参数进行优化；滑模动态逆采用单动态逆结构和高增益饱和函数滑模结构进行设计。在无扰和不同拉偏条件下对三种控制器进行仿真对比，增益调度PID控制器和滑模动态逆控制器均在一定不确定性和扰动下控制失败，而论文设计控制器则表现突出，跟踪精度高，响应迅速无延时，成功抑制了扰动影响，验证了控制设计方法的有效性和鲁棒性。
　　论文较系统地研究了可重复使用助推器鲁棒姿态控制方法，研究工作可为高精度飞行器控制系统设计提供一定的理论技术支撑和工程实现途径，对于鲁棒控制系统设计和扰动抑制方法研究具有重要的参考价值和研究意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究内容与组织结构

第二章 RBV数学模型的建立

2.1 相关坐标系及欧拉角定义

2.2 RBV运动模型的建立

2.3 BTT姿态运动模型的建立

2.4 本章小结

第三章 基于等效输入扰动和广义扩张状态观测器的RBV控制系统设计与分析

3.1 EID-GESO控制设计方法

3.2 RBV工程算例介绍

3.3 控制系统设计应用

3.4 数值仿真分析

3.5 本章小结

第四章 控制系统设计性能对比与验证

4.1 基于遗传算法的增益调度PID控制设计

4.2 滑模动态逆控制设计

4.3 性能对比与拉偏仿真分析

4.4 本章小结

结 束 语

论文主要研究内容和成果

下一步研究建议和展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果