基于预测函数控制的微运载火箭鲁棒姿态控制方法研究

摘要

为应对未来小卫星发射，构建快速响应空间能力，发展具备快速发射能力的低成本小型运载火箭是未来运载火箭发展的一个重要趋势。微运载火箭中低空与高空采用不同的执行机构，飞行参数时变快，所受外界干扰多且较为剧烈，飞行动力学模型耦合性强，非线性强。本文以微运载火箭为研究对象，围绕其姿态控制系统设计问题，对基于预测函数控制的鲁棒姿态控制设计方法展开研究，主要研究内容和成果如下：
　　针对预测函数控制其控制性能严重依赖于被控对象动力学模型的缺陷，引入等效输入扰动和广义扩张状态观测器技术，提出了一种新型的鲁棒预测函数控制方法，将非线性、不确定性所造成的预测模型参数偏差及外界干扰和噪声视为施加在输入通道上的等效输入扰动，通过广义扩张状态观测器实时对其估计并在反馈回路简便得予以补偿抑制，使得预测函数控制满足模型匹配条件，保证预测函数控制其精确跟踪性能的同时，具有了对外界扰动和不确定性的强鲁棒性。同时，在考虑了广义扩张状态观测器动态特性的条件下，证明了该方法的闭环稳定性。该方法对于系统模型与未知干扰信息要求较低，不要求系统全状态可用，不需要进行模型变换，在线计算量小，适用于受非匹配干扰的非积分链快变动态系统。对微运载火箭工程算例，当其在中低空采用气动舵面作为执行机构时应用该方法对其纵平面姿态控制系统进行了设计，实现了对攻角的精确稳定跟踪控制；并在考虑了模型参数摄动、外界扰动、测量输出噪声作用的情形下同几种经典的控制方法进行了控制器性能对比仿真分析，进一步验证了该方法的可行性与鲁棒性。
　　在本文提出的EID-GESO-based PFC控制方法的基础上，又提出了基于广义扩张状态观测器的多输入多输出状态相关预测函数控制（EID-GESO-based PFC）。该方法在继承了前者其优异的控制性能与强鲁棒性的同时，将其推广于多数入多输出系统；同时引入了拟线性变参技术，使得其得以应用的相关假设在实际中更为容易满足，也避免了以往控制器设计中的解耦与线性化操作，简化了控制器设计步骤，节省了控制器设计时间。更为重要的是，该方法使得单点设计控制器而适用于全状态空间成为了可能。应用EID-GESO-based PFC控制方法设计了微运载火箭上面级三通道耦合姿态控制器，实现了对姿态角的准确稳定跟踪，在数学仿真中表现了令人满意的控制性能；并同几种经典的控制方法进行了控制器性能对比仿真分析。在外界扰动、模型参数摄动以及测量噪声作用下，相平面控制器、LQR-PWPF控制器以及PFC-PWPF控制器均不能实现对于姿态角参考输入指令的精准跟踪，且要求较为频繁的侧喷流控制系统推力器开启次数，然而本文提出的三通道耦合姿态控制器，对于姿态角参考输入指令实现了精确跟踪，且响应较为迅速，成功对扰动和不确定项进行了估计与补偿抑制，克服了扰动影响，充分验证了本文提出的GESO-based SDC-MPFC控制方法的有效性和鲁棒性。
　　本文对于微运载火箭鲁棒姿态控制方法开展了较为系统的研究，其研究成果为飞行器姿态控制系统设计提供了一定的理论技术支撑和工程技术储备，对于预测函数控制方法研究和鲁棒姿态控制系统设计具有重要的参考价值和研究意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究内容与组织结构

第二章 预测函数控制基本原理

2.1 PFC控制方法基本原理

2.2 基于状态空间模型的预测函数控制

2.3 PFC算例仿真研究

2.4 本章小结

第三章 基于等效输入扰动和广义扩张状态观测器的预测函数控制

3.1 EID-GESO-based PFC控制设计方法

3.2 微运载火箭仿真工程算例介绍

3.3 俯仰通道姿态控制器设计及验证

3.4 俯仰通道姿态控制器性能对比及分析

3.5 本章小结

第四章 基于广义扩张状态观测器的多输入多输出状态相关预测函数控制

4.1 微运载火箭高空飞行姿态动力学建模

4.2 三通道耦合姿态控制器设计

4.3 三通道耦合姿态控制器性能验证与分析

4.4 三通道耦合姿态控制器性能对比与分析

4.5 本章小结

结 束 语

论文主要研究内容和成果

下一步研究建议和展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果