[发明专利]一种垂直起降重复使用运载器的非线性自抗扰控制方法

说明书

本发明提出一种垂直起降重复使用运载器的非线性自抗扰控制方法，它包括以下步骤：步骤一：姿态控制模型建立；步骤二：TD跟踪微分器设计；步骤三：非线性扩张状态观测器设计；步骤四：非线性自抗扰控制器设计；步骤五：非线性反馈控制律设计。本发明针对现有自抗扰控制器姿态响应时间较长、抗噪声能力弱和姿态控制精度较低等缺点而提出，将有限时间收敛特性的非线性TD跟踪微分器、固定时间收敛的扩张状态观测器和非线性反馈控制律组合一起形成了新型的非线性自抗扰控制器，从而提高了系统对复杂外部干扰抑制能力，同时也提高了姿态控制精度和响应速度。

技术领域

本发明属于飞行器控制技术领域，具体涉及一种垂直起降重复使用运载器的非线性自抗扰控制方法。

背景技术

垂直起降重复使用运载器在经过主动段飞行结束一二级分离后，其中二子级将运输有效载荷直至入轨，而一子级将在分离后快速进行大姿态调整(俯仰角调整幅度可从30°变化到180°)，进而为后续修航段主发动机点火减速以修正航程保证良好的点火角度。在调姿飞行段，由于飞行高度较低(60～160km)，因而存在大气干扰、高空风干扰、姿态大翻转引起的液体推进剂大幅晃动影响和外部复杂飞行环境干扰等众多因素。同时该飞行段执行机构为反作用喷气系统(RCS)，只能提供有限的控制力矩，因而该飞行段姿态控制系统设计具有较大困难，需要克服复杂的内外干扰力矩，并保证姿态的快速稳定跟踪。亟需设计一种高精度、快响应、强鲁棒和自适应的姿态控制方法，这对于垂直起降重复使用运载器回收技术具有重要的研究意义。

通过对已有技术文献进行检索分析，目前自抗扰控制器主要分为线性自抗扰控制器和非线性自抗扰控制器两类。其中线性自抗扰控制器中主要采用的是线性的TD跟踪微分器、线性扩张状态观测器和线性反馈控制律的组合，从而设计相应的控制器。周宏等人针对实际工业过程中普遍存在的控制输入约束问题提出了将控制器输出与执行器输出的误差进行反馈，可以快速消除线性自抗扰控制器的饱和问题。傅彩芬等人通过降阶及逼近处理将反馈控制器/扩张状态观测器闭环极点配置在同一位置，从而完成线性自抗扰控制器的参数调整。线性自抗扰控制器由于控制结构简单，参数调整容易，可以结合实际工程中常用的频域分析法完成控制参数的设计，因而在实际工业过程中被广泛应用。然而线性自抗扰控制器也存在系统容易饱和、控制响应速度较慢、控制精度较差和鲁棒性不高等缺点。而非线性自抗扰控制器主要利用现有的多种非线性函数特性，可以获得更为丰富设计结果的非线性TD跟踪微分器、非线性扩张状态观测器和非线性反馈控制律。如徐秋坪针对滑翔制导炮弹控制系统存在不确定内、外扰动以及舵偏角指令响应滞后情况下的过载跟踪问题，设计了非线性自抗扰控制器，具有结构简单、计算量小、参数调整少等优点。周大旺针对导弹模型同时具有的不确定性和执行机构饱和问题，结合反演控制和有限时间收敛理论，设计了有限时间收敛的非线性自抗扰控制器，取得了具有良好的控制性能。然而上述非线性自抗扰控制器依然存在抗噪声干扰能力差、只能保证有限时间收敛(受初值影响较大)、姿态响应速度较慢、控制精度较差和鲁棒性有待提高等缺点。

发明内容

本发明目的是为了解决垂直起降重复使用运载器在调姿段飞行时，存在复杂外部不确定性干扰条件下的姿态快速稳定跟踪控制问题，提供了一种垂直起降重复使用运载器的非线性自抗扰控制方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种垂直起降重复使用运载器的非线性自抗扰控制方法，包括以下步骤：

步骤一：针对垂直起降重复使用运载器调姿段的受力分析结果，建立其姿态动力学模型和姿态运动学模型，并定义姿态角和控制向量，进而建立二阶状态空间形式的姿态控制模型；

步骤二：垂直起降重复使用运载器调姿段直接给出程序角制导指令，制导指令为安排制导信号的过渡过程和提取制导信号的微分信号，设计具有有限时间收敛的非线性TD跟踪微分器；

步骤三：针对步骤一中所建立的垂直起降重复使用运载器二阶姿态控制模型，将扰动扩张为第三个状态向量，进而设计三阶系统的非线性扩张状态观测器，从而实现对状态量和扰动量的精确估计；