再入飛行器耦合非線性動力學分析及解耦控制研究

《再入飛行器耦合非線性動力學分析及解耦控制研究》是依託北京理工大學，由郭傑擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：再入飛行器耦合非線性動力學分析及解耦控制研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：郭傑
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

本項目以空天往返的再入飛行器為背景，系統地開展飛行器再入大氣層過程中的耦合非線性動力學建模、非線性動力學分析與綜合以及非線性解耦控制三個方面的研究。首先研究大攻角、滾轉、動不平衡、大空域機動等條件下的耦合非線性動力學建模問題，重點研究非定常氣動力的建模問題。其次，採用分支分析和突變理論方法（BACTM）研究大攻角非定常氣動力和慣性耦合條件下再入飛行器的非線性動力學特性，同時在BACTM分析的基礎上，重點研究直接力和氣動舵複合控制方式下的閉環控制律設計問題。最後，研究再入飛行器非線性解耦控制問題。針對一類雙通道姿態控制方案，研究基於補償原理的自適應模糊解耦控制方法。考慮系統模型結構和參數未知的情況，在穩定非線性自適應模糊解耦控制研究基礎上，開展基於狀態觀測器的非線性自適應模糊解耦控制方法研究。本項目研究可以為再入飛行器總體及控制系統設計提供重要的理論依據，對工程實際具有重要參考價值。

結題摘要

本項目以空天往返的再入飛行器為背景，系統地開展飛行器再入大氣層過程中的耦合非線性動力學建模、非線性動力學分析與綜合以及非線性解耦制導控制等內容的研究。首先基於再入飛行器耦合非線性動力學模型，綜合考慮慣性耦合、氣動耦合以及控制耦合等因素的影響，完成了再入飛行器的動力學特性仿真分析。 其次，重點研究了再入飛行器的非線性耦合制導與控制問題。針對再入制導問題，提出了一種新的可以滿足地理約束以及其他路徑約束的三維自主再入制導律。該制導律可以分為軌跡規劃器和軌跡跟蹤器，可實現線上軌跡規劃和精確軌跡跟蹤；為了提高再入制導律的實時性和魯棒性，提出一種基於滾動時域控制和間接Legendre偽譜法的軌跡跟蹤制導律。在有限時間收斂理論的基礎上，針對飛彈攔截機動目標的問題，通過擴張狀態觀測器對目標加速度進行實時的觀測和動態補償，設計了一種基於擴張狀態觀測器的全新滑模製導律。 針對再入控制問題，研究在大範圍系統不確定和外界擾動下滑翔式飛行器的有限時域姿態控制問題，利用反饋線性化技術消除運動方程的非線性，從而建立姿態控制器的基本模型。然後，基於該基本模型，提出兩種結合擾動觀測器的時變滑模控制方法；為了應對再入飛行時的飛行故障，提出了一種主動容錯控制策略。所提出的主動容錯控制策略包括飛行故障檢測方法和再入姿態控制器重構兩部分；結合動態面控制方法和滑模控制方法，提出了一種新型不依賴時間分離原則的飛彈自動駕駛儀設計方法。 引入制導控制一體化思想，將IGC（Integrated Guidance and Control, IGC）三通道耦合設計問題歸納為含匹配/非匹配不確定性的非自知非線性控制系統的狀態調節問題，通過擴張狀態觀測器對各通道間的動態耦合項和不確定性進行實時觀測和動態補償，實現通道間的主動解耦，從而獲得基於擴張狀態觀測器的IGC三通道主動解耦設計方法。 最後，還開展了包括模糊解耦控制、氣動/推力矢量複合控制分配策略、運載器主動段終端多約束能量管理制導方法以及再入飛行器攔截問題等方面的研究。 仿真結果驗證了以上方法和結論的有效性，作為本項目的研究成果可為再入飛行器總體及控制系統設計提供重要的理論依據，對工程實際具有重要參考價值。