可重復(fù)使用飛行器再入模型非線性度分析與控制方法研究.pdf

1、可重復(fù)使用飛行器（本文研究的可重復(fù)使用飛行器為亞軌道可重復(fù)使用飛行器，Suborbital Reusable Launch Vehicle, SRLV）是一種多用途飛行器，可以在臨近空間和地面之間的廣大空域內(nèi)低成本可靠地執(zhí)行多種飛行任務(wù)，是未來軌道飛行器發(fā)展的重要參考，已成為許多國家研究和發(fā)展的重點(diǎn)目標(biāo)。在SRLV從亞軌道返回至地球的飛行過程中，具有飛行空域廣、飛行段約束強(qiáng)、操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜、氣動(dòng)特性復(fù)雜和大攻角飛行等特點(diǎn)，為了能夠安全、可

2、靠地返回地面，需要對返回段的動(dòng)力學(xué)模型和控制系統(tǒng)等方面開展深入研究。本文以亞軌道可重復(fù)使用飛行器為研究對象，以SRLV返回飛行段為研究背景，研究了返回段的氣動(dòng)解析模型，以此為基礎(chǔ)建立了再入動(dòng)力學(xué)方程，并分析了該動(dòng)力學(xué)模型的非線性度，結(jié)合非線性度的變化，提出基于穩(wěn)定半徑的增益調(diào)度控制策略，并針對該方法的不足之處，研究了具有較強(qiáng)自主性和魯棒性的高階滑?？刂品椒?，主要研究內(nèi)容有：
　　描述亞軌道可重復(fù)使用飛行器的外形結(jié)構(gòu)，給出了各操縱機(jī)

3、構(gòu)的功能，詳細(xì)分析了氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩的定常和非定常特性，結(jié)合多變量正交函數(shù)方法，給出了基于氣動(dòng)數(shù)據(jù)庫的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩解析表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上建立了再入運(yùn)動(dòng)方程組。再入飛行過程呈現(xiàn)強(qiáng)耦合快時(shí)變的強(qiáng)非線性特性，通過建立基于氣動(dòng)解析模型的SRLV動(dòng)力學(xué)方程，可以直觀表現(xiàn)氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩對各飛行變量的非線性影響，準(zhǔn)確描述兩者之間的非線性關(guān)系，直溯返回動(dòng)力學(xué)模型的非線性根源，是后續(xù)非線性強(qiáng)度分析和控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
　　針對SRLV的非線性

4、特性，結(jié)合非線性指數(shù)方法，提出了適用于SRLV再入動(dòng)力學(xué)模型的非線性度分析方法。通過對SRLV非線性動(dòng)力學(xué)方程的線性化處理，建立了以攻角、側(cè)滑角、歐拉角速度為狀態(tài)變量的狀態(tài)空間方程，研究了不同參數(shù)向量對狀態(tài)方程非線性度的影響，定量地描述不同區(qū)域內(nèi)動(dòng)力學(xué)模型的非線性強(qiáng)弱程度。仿真結(jié)果表明，攻角、側(cè)滑角、高度和馬赫數(shù)是影響再入動(dòng)力學(xué)模型非線性度的主要原因，應(yīng)著重研究這些變量對控制系統(tǒng)性能的影響，考慮更合適的增益變量選取方法，為后續(xù)的返回飛行

5、控制器設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
　　增益調(diào)度是目前應(yīng)用較廣泛、較成功的飛行控制策略，但是它具有調(diào)度變量選取困難、特征點(diǎn)數(shù)量難以確定以及相鄰兩個(gè)特征點(diǎn)之間任意區(qū)域的控制穩(wěn)定性難以保證等缺點(diǎn)。針對這些缺點(diǎn)，結(jié)合SRLV再入動(dòng)力學(xué)模型的非線性度變化規(guī)律，提出了基于穩(wěn)定半徑的增益調(diào)度控制方法。該方法從理論上探索能夠保證相鄰飛行特征點(diǎn)之間任意區(qū)域穩(wěn)定性的增益調(diào)度控制方法，給出基于穩(wěn)定半徑的增益調(diào)度控制策略，對傳統(tǒng)方法進(jìn)行了改進(jìn)，并將改進(jìn)后的增益調(diào)度控

6、制方法應(yīng)用于SRLV返回段飛行控制律設(shè)計(jì)中。仿真結(jié)果表明，基于穩(wěn)定半徑的增益調(diào)度控制方法在調(diào)度變量確定、特征點(diǎn)選取和控制精度等方面較傳統(tǒng)方法更具優(yōu)勢。
　　基于穩(wěn)定半徑的增益調(diào)度控制方法，雖然對傳統(tǒng)的增益調(diào)度控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，但受到外部擾動(dòng)等不確定性影響時(shí)，仍可能出現(xiàn)控制精度變差等問題，且特征點(diǎn)的選取過程較為復(fù)雜，增大了控制器分析設(shè)計(jì)過程的復(fù)雜度。針對這些缺點(diǎn)，基于高階滑模控制理論，提出了應(yīng)用于SRLV返回段的雙環(huán)準(zhǔn)連續(xù)高階滑模