登月飛行器軟著陸的制導與控制.pdf

1、導航、制導與控制是登月計劃的關(guān)鍵性技術(shù)，而軟著陸問題又是月球探測面臨的第一個關(guān)鍵性問題。本文以登月飛行的制導與軟著陸控制問題為背景，在系統(tǒng)學習前人的研究成果的基礎之上，應用最優(yōu)控制、最優(yōu)化方法、非線性控制以及切換系統(tǒng)方法，依照最優(yōu)性、魯棒性的本質(zhì)要求，系統(tǒng)的進行分析和研究。
　　本文研究的重點是設計登月飛行器軟著陸的制導律和控制律。主要內(nèi)容可以分為兩大部分，一部分是非定點軟著陸的制導與控制問題，另一部分是定點軟著陸的制導與控制問題

2、。對于非定點軟著陸的制導和控制，主要采用最優(yōu)顯式制導和反饋跟蹤控制的思路。文中分別給出兩種參數(shù)化的最優(yōu)顯式制導律設計方法，為保證飛行器在實際飛行中受干擾的作用下仍能很好的跟蹤已設計的標稱軟著陸軌道，文中給出一種基于切換系統(tǒng)模型參考的跟蹤控制方法。對于定點軟著陸控制問題，給出一種基于交會對接思想的定點軟著陸反饋控制方法。最后，利用STK仿真平臺對前面所提出的制導律方法進行仿真驗證，并對仿真結(jié)果進行細致的分析。具體內(nèi)容如下：
　　首先

3、，對于參數(shù)化顯式制導律設計方法，文中利用經(jīng)典最優(yōu)控制理論中的Eular方程，構(gòu)造出一種迭代的分段恒值的參數(shù)化最優(yōu)控制律。該控制律可以無限逼近全局最優(yōu)解，且其參數(shù)個數(shù)與系統(tǒng)的階數(shù)相同。將這種參數(shù)化控制律代入原系統(tǒng)，可將原來復雜的最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為一系列參數(shù)優(yōu)化問題?？紤]到很多經(jīng)典優(yōu)化算法都要利用指標泛函和約束泛函關(guān)于參數(shù)的梯度，文中嚴密推導出該參數(shù)化控制律的參數(shù)梯度顯式公式。最后，分別利用遺傳算法和BFGS優(yōu)化算法優(yōu)化給出仿真結(jié)果，并對不

4、同工況下的仿真結(jié)果進行軌道特性分析，對于軟著陸過程中控制律參數(shù)變化對軟著陸軌道特性的影響進行詳細的描述。
　　其次，考慮到實際中的發(fā)動機多為常推力的情況，文中利用參數(shù)化控制及強化技術(shù)構(gòu)造出一種分段的參數(shù)化最優(yōu)控制律，使軟著陸問題得到很好的解決，具有較強的工程意義。參數(shù)化控制及強化技術(shù)的主要思想是利用若干個分段的常數(shù)去逼近最優(yōu)解。在此情況下，最優(yōu)控制問題將轉(zhuǎn)化為一系列參數(shù)優(yōu)化問題。利用經(jīng)典的參數(shù)優(yōu)化方法即可求得最優(yōu)控制函數(shù)的一個近似

5、解。通過不斷的增加參數(shù)的個數(shù)，縮小每段參數(shù)的持續(xù)時間，重復優(yōu)化就可以得到一組無線逼近連續(xù)最優(yōu)解的參數(shù)化解序列。本文將登月飛行器軟著陸的最優(yōu)顯式制導律設計問題進行若干變換后，構(gòu)造成具有Canonical標準型的最優(yōu)控制問題。然后，利用上述參數(shù)化控制及強化技術(shù)給出最優(yōu)顯式制導律的設計方法。
　　考慮到實際飛行過程中擾動的作用，本文給出一種魯棒切換模型參考跟蹤控制器設計方法，該方法基于魯棒模型參考理論并結(jié)合切換系統(tǒng)的H∞控制方法。文中利

6、用線性矩陣不等式給出該控制器存在的條件。將其應用到軟著陸的跟蹤控制問題，取得滿意的效果。
　　針對定點軟著陸問題，本文給出一種基于交會對接思想的軟著陸控制方法，該方法將軟著陸控制問題轉(zhuǎn)化為線性受限系統(tǒng)的二次調(diào)解問題，通過飛行器相對于落點的位置和速度狀態(tài)反饋實現(xiàn)軟著陸控制。文中首先以預定落點為坐標原點建立坐標系，求得飛行器的非線性運動學模型。經(jīng)過合理的近似后得到相應的線性系統(tǒng)，考慮到燃料的最優(yōu)，控制推力受限以及狀態(tài)受限的要求文中利用

7、線性受限系統(tǒng)二次調(diào)節(jié)理論給出最優(yōu)狀態(tài)反饋控制器設計方法。該方法的優(yōu)點是可以通過直接的速度和位置狀態(tài)反饋實現(xiàn)控制，控制器形式簡單，且易于導航計算，可以大大減少導航計算量。另外，該方法在初始建立坐標系時，利用飛行器相對落點的速度和位置偏差作為飛行器的狀態(tài)，這樣將軟著陸控制問題轉(zhuǎn)化成控制系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，使問題的復雜度大大降低，理論上更容易求解。
　　最后，本文利用STK仿真平臺將前面章節(jié)中所得出的軟著陸制導律進行仿真驗證。本文詳細的給出