高超声速飞行器再入段横侧向控制律设计

摘要

高超声速飞行器再入返回包括再入、能量管理以及自动着陆三个阶段。再入段作为再入返回的关键阶段，对姿态控制提出了很高的要求，而横侧向控制又是姿态控制的难点。鉴于此，本文围绕高超声速飞行器再入段横侧向控制展开了研究。
　　首先，建立了高超声速飞行器六自由度数学模型，并详细分析了横侧向对象特性。横侧向对象特性分析包括静稳定性分析、模态特性分析和偏离特性分析，其中重点分析了横侧向偏离特性。
　　其次，针对再入气动舵面没有效率或者效率不足，分别设计了纯RCS控制段和RCS与气动舵面复合控制段的横侧向RCS控制策略及控制律参数。由于RCS的离散工作机制，在线性系统下设计RCS姿态控制律，并采用脉宽调制实现算法将控制律解算出的连续力矩指令转化成RCS可执行的离散力矩指令。
　　再次，针对再入段横侧向气动控制存在荷兰滚模态不稳定以及副翼操纵反极性现象，分析了常规横侧向气动控制策略不适用于样例飞行器的原因，并在此基础上设计了“副翼增稳荷兰滚，方向舵控制滚转角”的非常规横侧向气动控制策略及控制律参数。
　　针对大迎角下飞行器急滚时运动耦合严重以及急滚的过程中易出现较大的侧滑角，分别设计了基于操纵补偿的抗侧滑前馈控制策略和基于侧滑角变化率的抗侧滑反馈控制策略，并给出了基于侧滑角变化率的抗侧滑反馈控制策略的工程实现方法。
　　最后，在Matlab下搭建高超声速飞行器再入段的非线性仿真环境，并采用蒙特卡洛仿真方法对设计的横侧向控制律进行了仿真验证。仿真结果表明，再入段的横侧向控制律能够满足控制要求并且具有较强的鲁棒性。

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图表清单

注释表

第一章 绪 论

1.1 概述

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

1.4 论文组织结构

第二章 建模及对象特性分析

2.1 引言

2.2 样例飞行器气动布局与总体参数

2.3 刚体六自由度数学模型

2.4 通用刚体模型库

2.5 对象特性分析

2.6 本章小结

第三章 横侧向RCS控制律设计

3.1 引言

3.3 RCS控制律参数设计

3.4 RCS脉宽调制实现

3.5 RCS流量分析

3.6 本章小结

第四章 横侧向气动控制律设计

4.1 引言

4.2 常规横侧向气动控制策略

4.3 非常规的横侧向气动控制策略

4.4 横侧向气动控制律参数设计

4.5 增益调度策略

4.6 仿真验证

4.7 本章小结

第五章 抗侧滑的横侧向气动控制律改进设计

5.1 引言

5.2 运动耦合机理分析

5.3 基于操纵补偿的抗侧滑前馈控制策略

5.4 基于侧滑角变化率的抗侧滑反馈控制策略

5.5 抗侧滑反馈控制策略的工程实现

5.6 本章小结

第六章 非线性仿真验证

6.1 引言

6.2 非线性仿真环境

6.3 再入段飞行剖面

6.4 蒙特卡洛仿真验证

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本文的主要研究内容与贡献

7.2 需要进一步研究的工作

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文