一种基于自适应增益扰动补偿的再入飞行器姿态控制方法

摘要

一种基于自适应增益扰动补偿的再入飞行器姿态控制方法，包括步骤一：建立再入飞行器面向控制的再入飞行运动学和动力学模型；步骤二：建立固定时间收敛扰动补偿观测器，对再入飞行器的状态以及扰动项进行观测；步骤三：设计积分滑模控制器，在积分滑模控制器中引入观测器扰动观测项，同时采用双层自适应增益策略，对控制增益进行自适应调整。本发明所设计的新型固定时间收敛扰动补偿观测器可以保证观测误差在固定时间内快速收敛至零的领域内，且具有良好的噪声抑制能力，大大提高飞行器的抗干扰能力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于自适应增益扰动补偿的再入飞行器姿态控制方法，属于制导与控制技术领域。

背景技术

随着现代科技的发展，再入飞行器的军事价值和民用价值日益凸显。再入飞行器执行任务多样，飞行环境复杂，使得再入姿态控制问题具有多变量、快时变、强耦合、强非线性以及参数不确定性等特点，大大提高了控制系统的设计难度。近年来，国内外学者对再入姿态控制问题展开了深入研究，常用的控制系统设计方法主要有自适应控制、自抗扰控制、鲁棒控制以及滑模控制等，但目前对很多关键技术以及复杂的新问题，如姿态控制系统的快速稳定性能、姿态跟踪精度以及抗扰动性能等，仍有待进一步研究和探索。

发明内容

本发明的技术解决问题：针对复杂飞行环境下的再入飞行器姿态控制问题，充分考虑模型不确定性以及各种外界扰动的影响，提出一种基于自适应增益扰动补偿的的再入飞行器姿态控制方法，提高姿态控制精度以及抗扰动能力。

本发明的技术解决方案：所述的基于自适应增益扰动补偿的的再入飞行器姿态控制方法包含如下三个步骤：

步骤一：充分考虑模型未建模动态、模型不确定性、气动参数不确定性、力矩扰动等因素，建立再入飞行器面向控制的再入飞行运动学和动力学模型，确保能够真实反映再入飞行特性，为控制系统设计奠定基础；

步骤二：建立一种新型的固定时间收敛扰动补偿观测器，对再入飞行器的状态以及扰动项进行观测，并采用Lyapunov稳定性定理证明了观测器的稳定性及收敛性；

步骤三：设计积分滑模控制器，在积分滑模控制器中引入观测器扰动观测项，同时采用双层自适应增益策略，对控制增益进行自适应调整，并采用Lyapunov稳定性定理证明了所设计控制器的稳定性及收敛性。

进一步的，再入飞行器面向控制的再入飞行运动学和动力学模型，具体为：

其中θ＝[α,β,μ]

其中，J

进一步的，对再入飞行运动学和动力学模型进一步化简得到：

其中

进一步的，固定时间收敛扰动补偿观测器形式如下：

其中z

进一步的，设观测误差为e

这里

进一步的，所述步骤三：设计积分滑模控制器，在积分滑模控制器中引入观测器扰动观测项，同时采用双层自适应增益策略，对控制增益进行自适应调整，具体为：

(1)对于再入飞行运动学和动力学模型，设计虚拟控制量ω

ω

其中增益k

(2)对于再入飞行运动学和动力学模型设计积分滑模控制器u如下：

u＝u

其中u

u

u

其中u

其中sign(·)为符号函数，r

其中

进一步的，本发明还提出一种再入飞行器姿态控制系统，包括：

动力学模型建模模块：建立再入飞行器面向控制的再入飞行运动学和动力学模型；

观测器建立模块：建立固定时间收敛扰动补偿观测器，对再入飞行器的状态以及扰动项进行观测；

控制器设计模块：设计积分滑模控制器，在积分滑模控制器中引入观测器扰动观测项，同时采用双层自适应增益策略，对控制增益进行自适应调整。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明所设计的新型固定时间收敛扰动补偿观测器可以保证观测误差在固定时间内快速收敛至零的领域内，且具有良好的噪声抑制能力，大大提高飞行器的抗干扰能力；

(2)本发明所提出的双层自适应增益策略，能够对控制增益进行自适应调整，一方面使其尽可能小以减小抖振，另一方面又使其足够大以保证滑模面快速收敛。另外，该方法无需增益的最大和最小允许值以及扰动及其导数的边界信息。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出一种基于自适应增益扰动补偿的再入飞行器姿态控制方法，包括如下步骤：

(1)再入运动学和动力学建模

再入飞行器的再入运动学和动力学建立如下：

其中θ＝[α,β,μ]

其中，J

对动力学模型进一步化简可得到：

其中

(2)建立固定时间收敛扰动补偿观测器，对再入飞行器的状态以及扰动项进行观测。

新型固定时间收敛观测器形式如下：

其中z

设定观测器观测误差e

这里

下面给出观测器收敛性定理：在观测误差系统(5)中，误差向量

式中，ρ＝1-α

式中，A和A

下面给出观测器收敛性证明：

首先考虑误差方程(5)高幂次部分：

由于矩阵A

系统(9)右半部分关于β是连续的，因此当β∈(1,1+ε

式中，c

对于线性系统

其中δ为任意小量。考虑到式(9)关于β是连续的，则下示不等式：

成立。

考虑参数Υ>0且V

进一步的，考虑低幂次系统：

定义

V(ξ)≤λ

由于矩阵A满足赫尔维茨条件，线性系统

当α取值在(1-ε,1)内(ε>0且足够小)，上式对于V(ξ)＝ξ

式中，c为正常数，1+m<1。

对线性系统

式中，δ>0。考虑到系统(14)在由于参数α具有连续性，不等式

依旧成立，因此，式(17)中的常数c即为c＝λ

(3)控制器设计：设计积分滑模控制器，在积分滑模控制器中引入观测器扰动观测项，同时采用双层自适应增益策略，对控制增益进行自适应调整。

定义跟踪误差e

虚拟控制量ω

ω

其中增益k

设计控制器如下：

u＝u

其中u

其中B

其中

u

其中ρ

其中积分滑模面s设计为如下形式：

ρ(t)表示外层自适应控制增益，r(t)表示内层自适应控制增益，并保证在有限时间内

其中sign(·)为符号函数，r

其中

(4)稳定性证明

选择一个Lyapunov方程

再选择Lyapunov方程

从上式中可以看出V

对上两式进行积分可得：

因此我们可以得到e

至此完成了一种基于自适应增益扰动补偿的再入飞行器姿态控制方法设计。本发明所设计的新型固定时间收敛扰动补偿观测器可以保证观测误差在固定时间内快速收敛至零的领域内，且具有良好的噪声抑制能力，大大提高飞行器的抗干扰能力；同时，本发明所提出的双层自适应增益策略，能够对控制增益进行自适应调整，一方面使其尽可能小以减小抖振，另一方面又使其足够大以保证滑模面快速收敛。另外，该方法无需增益的最大和最小允许值以及扰动及其导数的边界信息。