基于自适应模糊策略的可重复运载器姿态控制研究

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近几十年来,为了实现降低人类进入空间操作成本的目的,同时提高空间运输效率、实现空间研究等多方面任务需求,可重复使用运载器(Reusable Launch Vehicle,RLV)在此背景下应运而生。作为一类新型的多用途飞行器,RLV具有可重复、低成本、高安全等优势,已成为很多国家的研究重点。然而,RLV在再入返回飞行过程中,具有飞行攻角大、飞行包线范围广和气动特性复杂等特点,因此针对RLV再入飞行阶段的动态模型和控制系统等方面展开深入研究显得非常关键。本文以可重复使用运载器为研究对象,分析了RLV再入飞行阶段模型特点,对可重复使用运载器的姿态控制策略展开了研究,其主要内容有:忽略地球自转对飞行器再入飞行过程的影响,建立可重复使用运载器气动力和气动力矩模型与六自由度动力学模型。在此基础上,考虑RLV在再入飞行阶段机载状态、飞行环境变化剧烈,飞行器易受参数不确定性及系统外界干扰的影响。因此,将可重复使用运载器动态模型进一步的完善,得到再入RLV面向控制的姿态模型。针对RLV模型强非线性、多变量耦合性点,考虑控制系统参数不确定性和外界干扰影响,提出基于补偿控制器的可重复使用运载器自适应模糊姿态控制策略。将参数不确定性和外界干扰视作系统不确定性项,利用模糊逻辑系统并结合自适应技术进行在线逼近。为了减小模糊系统的建模误差对飞行器控制性能的影响,设计补偿控制器以提高再入RLV姿态跟踪性能。在Lyapunov理论框架下进行稳定性分析,验证了闭环控制系统的稳定性。仿真结果表明,所设计的控制策略能够实现飞行器再入姿态角的稳定跟踪控制。此外,考虑到H_∞控制具有妥善处理外界干扰的优势,提出了基于自适应模糊H_∞的可重复使用运载器姿态控制策略。利用自适应模糊系统在线逼近飞行器模型的不确定性项,并设计H_∞控制项以提高控制系统的鲁棒性。同时,为了避免引入的H_∞控制项对模糊系统逼近能力的削弱问题,在姿态角模糊逼近区域内,基于自适应模糊H_∞控制设计姿态跟踪控制器以确保飞行器跟踪性能;在姿态角模糊逼近区域外,结合边界自适应律设计姿态镇定控制器以保证飞行器稳定性。基于Lyapunov理论的稳定性分析证明了闭环控制系统的稳定性。仿真结果证明了所提出的控制策略具有较高的控制精度,且具有一定的鲁棒性。
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