[發明專利]一種垂直起降重復使用運載器的非線性自抗擾控制方法

有效

• 申請號: 201810790014.6
• 申請日: 2018-07-18
• 公開（公告）號: CN108646778B
• 公開（公告）日: 2019-08-06
• 發明（設計）人: 韋常柱;張亮;崔乃剛;浦甲倫;關英姿
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 孫莉莉

1.一種垂直起降重復使用運載器的非線性自抗擾控制方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟一：針對垂直起降重復使用運載器調姿段的受力分析結果，建立其姿態動力學模型和姿態運動學模型，并定義姿態角和控制向量，進而建立二階狀態空間形式的姿態控制模型；

所述步驟一具體為：

在垂直起降重復使用運載器調姿段飛行過程中的姿態動力學模型為：

式中和代表垂直起降重復使用運載器的轉動慣量；和代表滾轉角速率、偏航角速率和俯仰角速率；q為動壓，S為運載器參考面積，l為參考長度，V為速度；α為攻角，β為側滑角；α_w和β_w為高空風引起的攻角和側滑角；和為縱向靜穩定系數和橫向靜穩定系數；和為滾轉、偏航和俯仰方向的阻尼力矩系數；M_xRCS，M_yRCS和M_zRCS為三軸方向的RCS控制力矩；M_BX，M_BY和M_BZ為三通道存在的結構干擾力矩或外部干擾力矩；為的導數值，為的導數值，為的導數值；

垂直起降重復使用運載器調姿段的姿態運動學模型為：

式中為俯仰角，ψ為偏航角，而γ為滾轉角；和分別是ψ和γ的導數；定義U＝[M_xRCS M_yRCS M_zRCS]^T，則由式(1)和式(2)可得姿態控制狀態空間模型有：

其中為X₁的導數值，為X₂的導數值；且

進一步簡化可得：

垂直起降重復使用運載器在調姿飛行段采用程序角飛行，定義程序角狀態變量為則控制系統的設計目標是使得狀態量X₁在有限時間內跟蹤程序角制導指令

步驟二：垂直起降重復使用運載器調姿段直接給出程序角制導指令，制導指令為安排制導信號的過渡過程和提取制導信號的微分信號，設計具有有限時間收斂的非線性TD跟蹤微分器；

步驟三：針對步驟一中所建立的垂直起降重復使用運載器二階姿態控制模型，將擾動擴張為第三個狀態向量，進而設計三階系統的固定時間收斂的非線性擴張狀態觀測器，從而實現對狀態量和擾動量的精確估計；

所述步驟三具體為：

針對姿態控制模型，設計非線性擴張狀態觀測器：

其中z₁(t)，z₂(t)，z₃(t)分別代表對狀態量X₁(t)，X₂(t)和擾動D(t)的觀測值；和均表示z₁(t)，z₂(t)和z₃(t)的導數值；η1(t)＝X₁(t)，ε為設計參數；h_i(x),i＝1,2,3為Lipschitz函數，滿足不等式|h_i(a)-h_i(b)|≤l₀|a-b|，l₀為Lipschitz常數；h_i(x)滿足：

式中κ₁，κ₂和κ₃為增益系數；g(x)函數為：

因此，根據上述設計的擴張狀態觀測器，z₁(t)能夠估計出X₁(t)的值，z₂(t)用于估計X₂(t)，而z₃(t)則用于估計擾動值D；其估計誤差將在固定的時間內收斂至零域，收斂時間T_max上界為：

式中σ為可調整的設計參數；由此即完成了非線性擴張狀態觀測器設計；

步驟四：基于步驟二和步驟三中分別設計的有限時間收斂的非線性TD跟蹤微分器和固定時間收斂的非線性擴張狀態觀測器，設計非線性自抗擾控制器，使其具有李雅普諾夫穩定性；

步驟五：針對步驟四中的非線性自抗擾控制器，設計非線性反饋控制律，從而保證非線性自抗擾控制器具有快速的收斂性能和整個閉環系統的穩定性能。