基于Terminal滑模的空天飛行器再入魯棒自適應(yīng)控制.pdf

1、空天飛行器(ASV)是新一代的航空航天器，它將填補(bǔ)臨近空間(Near Space)航空航天活動(dòng)的空白，并且具有極其重要的軍事價(jià)值。ASV再入大氣層的飛行環(huán)境變化劇烈、干擾大，因而其姿態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常前沿的研究課題。本文圍繞這一問(wèn)題，對(duì)ASV再入飛行的高精度、強(qiáng)穩(wěn)定、快速自適應(yīng)魯棒控制問(wèn)題展開(kāi)了較為深入的研究。 首先，在實(shí)驗(yàn)室已有成果的基礎(chǔ)上，建立了ASV的再入模型，其控制系統(tǒng)包含反作用發(fā)動(dòng)機(jī)(RCS)和控制舵面，以滿足

2、不同飛行階段的控制要求。然后對(duì)其開(kāi)環(huán)性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該模型具有復(fù)雜的非線性、耦合性以及快速時(shí)變性等特點(diǎn)，具有一定的代表性，可以為后續(xù)的研究工作提供參考。 其次，基于Terminal滑?？刂品椒ㄑ芯苛薃SV再入飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。在對(duì)綜合干擾進(jìn)行一定假設(shè)的條件下，得到了具有有限時(shí)間收斂特性的Terminal滑模閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以保證系統(tǒng)跟蹤誤差在有限時(shí)間內(nèi)收斂到零，從而提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為了消除前述假設(shè)，提出另一種

3、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)Terminal滑模控制方案，可以在線消除系統(tǒng)的綜合干擾，并對(duì)閉環(huán)穩(wěn)定性進(jìn)行了嚴(yán)格的證明。兩種方案都在ASV高超聲速再入飛行條件下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。 隨后，為了更有效消除綜合干擾的影響，且易于工程應(yīng)用，提出了基于模糊干擾觀測(cè)器的自適應(yīng)Terminal滑?？刂品椒?，并基于Lyapunov穩(wěn)定性理論給出了嚴(yán)格的穩(wěn)定性證明。進(jìn)一步，通過(guò)改進(jìn)模糊干擾觀測(cè)器的自適應(yīng)律，設(shè)計(jì)了快速模糊干擾觀測(cè)器，大大加快了其逼近速度，并將

4、其應(yīng)用到ASV再入飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。最后的仿真結(jié)果進(jìn)一步顯示了該方法的優(yōu)越性。 在第五章中，重點(diǎn)研究了閉環(huán)系統(tǒng)的有限時(shí)間收斂特性和自適應(yīng)律運(yùn)算效率的問(wèn)題。為了明確得到基于快速模糊干擾觀測(cè)器的閉環(huán)系統(tǒng)的收斂時(shí)間，保留了模糊系統(tǒng)的逼近誤差。此時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)誤差不再收斂到零，而是收斂到可以任意小的某些區(qū)域。本章研究的另一個(gè)問(wèn)題是如何減輕機(jī)載計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量。通過(guò)提出一種新型參數(shù)自適應(yīng)律，將模糊系統(tǒng)在線調(diào)整的參數(shù)減少到兩個(gè)，大大提高了運(yùn)算效

5、率。 第六章首先分析了Terminal滑模面設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)滑模區(qū)域及達(dá)到時(shí)間的影響，然后設(shè)計(jì)了基于T-S模糊模型的時(shí)變自適應(yīng)Terminal滑?？刂葡到y(tǒng)。該方法采用T-S模糊系統(tǒng)在線逼近綜合干擾，且時(shí)變滑模面有利于增大滑模區(qū)域，提高系統(tǒng)的魯棒性，縮短到達(dá)時(shí)間。 最后，研究了ASV狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)問(wèn)題。在考慮系統(tǒng)量測(cè)噪聲的情況下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行兩次擴(kuò)張，設(shè)計(jì)了基于超扭曲算法(Super-twisting)的新型擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，保證