可重复使用运载器再入段反作用控制系统研究

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可重复使用运载器(Reusable Launch Vehicle,RLV)具有反作用控制系统(Reaction Control System,RCS)与气动舵面两套执行机构,随着再入过程中动压的增加,将再入控制依次划分成如下三个阶段:RCS控制阶段、RCS与气动复合控制阶段以及气动控制阶段。本文主要研究RLV再入段RCS控制与复合控制问题。RLV再入段建模是研究再入控制问题的前提,首先建立RCS和气动的力学模型,然后对RLV的动力学方程进行小偏差线性化得到RCS的线性控制模型。通过对RCS控制特性的分析,将RCS控制问题细分为三个子问题:RCS控制律设计、RCS喷管选择逻辑以及脉冲宽度调制(Pulse-Width Modulation,PWM)算法,文中分别对这三个问题进行了研究。采用经典的PD控制设计出一种基于姿态偏差的三通道RCS控制律;研究了三种RCS喷管选择逻辑:分轴选择、分档选择以及基于线性规划的选择方法,并在此基础上进行了RCS流量分析和RCS故障分析;对于PWM调制问题,详细介绍了PWM调制的冲量等效原理,并分析了三种控制死区的含义。通过大量的非线性仿真,验证了三通道RCS控制律、喷管选择逻辑以及PWM调制的可行性,较好的解决了RCS控制问题。复合控制问题也可以分为三个子问题:复合控制切换时机的确定、复合控制律的设计、复合分配策略的研究。首先,通过对舵面效率的分析确定了三通道RCS的退出时机;之后,考虑到文中的复合控制律是由RCS和气动两种控制律组合而成,为此,在设计完RCS控制律之后,根据气动模态特性分析和横侧向偏离特性分析的结果,设计了常规的纵向和横侧向气动控制律;最后,提出一种对姿态角偏差进行分配的复合分配策略,将复合分配问题转化为优化问题,通过粒子群算法对分配权重系数进行寻优。仿真结果显示,基于粒子群算法的复合分配策略可以获得更平滑的控制效果。
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