[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

本發明提出一種垂直起降重復使用運載器的非線性自抗擾控制方法，它包括以下步驟：步驟一：姿態控制模型建立；步驟二：TD跟蹤微分器設計；步驟三：非線性擴張狀態觀測器設計；步驟四：非線性自抗擾控制器設計；步驟五：非線性反饋控制律設計。本發明針對現有自抗擾控制器姿態響應時間較長、抗噪聲能力弱和姿態控制精度較低等缺點而提出，將有限時間收斂特性的非線性TD跟蹤微分器、固定時間收斂的擴張狀態觀測器和非線性反饋控制律組合一起形成了新型的非線性自抗擾控制器，從而提高了系統對復雜外部干擾抑制能力，同時也提高了姿態控制精度和響應速度。

技術領域

本發明屬于飛行器控制技術領域，具體涉及一種垂直起降重復使用運載器的非線性自抗擾控制方法。

背景技術

垂直起降重復使用運載器在經過主動段飛行結束一二級分離后，其中二子級將運輸有效載荷直至入軌，而一子級將在分離后快速進行大姿態調整(俯仰角調整幅度可從30°變化到180°)，進而為后續修航段主發動機點火減速以修正航程保證良好的點火角度。在調姿飛行段，由于飛行高度較低(60～160km)，因而存在大氣干擾、高空風干擾、姿態大翻轉引起的液體推進劑大幅晃動影響和外部復雜飛行環境干擾等眾多因素。同時該飛行段執行機構為反作用噴氣系統(RCS)，只能提供有限的控制力矩，因而該飛行段姿態控制系統設計具有較大困難，需要克服復雜的內外干擾力矩，并保證姿態的快速穩定跟蹤。亟需設計一種高精度、快響應、強魯棒和自適應的姿態控制方法，這對于垂直起降重復使用運載器回收技術具有重要的研究意義。

通過對已有技術文獻進行檢索分析，目前自抗擾控制器主要分為線性自抗擾控制器和非線性自抗擾控制器兩類。其中線性自抗擾控制器中主要采用的是線性的TD跟蹤微分器、線性擴張狀態觀測器和線性反饋控制律的組合，從而設計相應的控制器。周宏等人針對實際工業過程中普遍存在的控制輸入約束問題提出了將控制器輸出與執行器輸出的誤差進行反饋，可以快速消除線性自抗擾控制器的飽和問題。傅彩芬等人通過降階及逼近處理將反饋控制器/擴張狀態觀測器閉環極點配置在同一位置，從而完成線性自抗擾控制器的參數調整。線性自抗擾控制器由于控制結構簡單，參數調整容易，可以結合實際工程中常用的頻域分析法完成控制參數的設計，因而在實際工業過程中被廣泛應用。然而線性自抗擾控制器也存在系統容易飽和、控制響應速度較慢、控制精度較差和魯棒性不高等缺點。而非線性自抗擾控制器主要利用現有的多種非線性函數特性，可以獲得更為豐富設計結果的非線性TD跟蹤微分器、非線性擴張狀態觀測器和非線性反饋控制律。如徐秋坪針對滑翔制導炮彈控制系統存在不確定內、外擾動以及舵偏角指令響應滯后情況下的過載跟蹤問題，設計了非線性自抗擾控制器，具有結構簡單、計算量小、參數調整少等優點。周大旺針對導彈模型同時具有的不確定性和執行機構飽和問題，結合反演控制和有限時間收斂理論，設計了有限時間收斂的非線性自抗擾控制器，取得了具有良好的控制性能。然而上述非線性自抗擾控制器依然存在抗噪聲干擾能力差、只能保證有限時間收斂(受初值影響較大)、姿態響應速度較慢、控制精度較差和魯棒性有待提高等缺點。

發明內容

本發明目的是為了解決垂直起降重復使用運載器在調姿段飛行時，存在復雜外部不確定性干擾條件下的姿態快速穩定跟蹤控制問題，提供了一種垂直起降重復使用運載器的非線性自抗擾控制方法。

本發明的目的通過以下技術方案實現：一種垂直起降重復使用運載器的非線性自抗擾控制方法，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；

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；