[发明专利]一种垂直起降重复使用运载器自抗扰滑模控制方法有效

专利信息
申请号: 201810962167.4 申请日: 2018-08-22
公开(公告)号: CN108803649B 公开(公告)日: 2019-07-09
发明(设计)人: 韦常柱;崔乃刚;张亮;关英姿;浦甲伦 申请(专利权)人: 哈尔滨工业大学
主分类号: G05D1/08 分类号: G05D1/08;G05D1/10
代理公司: 哈尔滨市阳光惠远知识产权代理有限公司 23211 代理人: 孙莉莉
地址: 150001 黑龙*** 国省代码: 黑龙江;23
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摘要:
搜索关键词: 自抗扰 四元数 运载器 滑模控制器 滑模控制 姿态控制 垂直 非线性反馈控制 扩张状态观测器 飞行阶段 基础设计 机构控制 控制性能 模型建立 指令转换 快响应 姿态角 自适应 鲁棒 制导 回收 全程 保证 研究
【说明书】:

发明提出了一种垂直起降重复使用运载器自抗扰滑模控制方法,包括姿态角制导指令转换为四元数;基于四元数描述的姿态控制模型建立;非线性反馈控制律设计;扩张状态观测器设计;自抗扰滑模控制器设计。本发明有效避免姿态奇异问题,并以姿态控制模型为基础设计相应的基于四元数的自抗扰滑模控制器,从而适应全程不同飞行阶段的不同执行机构控制需求,克服内外干扰,保证高精度、快响应、强鲁棒和自适应的控制性能,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。

技术领域

本发明属于飞行器控制技术领域,特别是涉及一种垂直起降重复使用运载器自抗扰滑模控制方法。

背景技术

垂直起降重复使用运载器从发射到垂直返回过程中,特别是主动段结束后的调姿飞行段将产生大姿态翻转从而修正航程,因而在液体大幅晃动影响、外部复杂干扰力矩环境下,其姿态角极易产生奇异问题,给垂直起降重复使用运载器高精度自主定点软着陆控制技术带来了极大的影响。因而亟需研究基于四元数描述的姿态动力学建模方法,有效避免姿态奇异问题,并以此模型为基础设计相应的基于四元数的姿态控制器,从而适应全程不同飞行阶段的不同执行机构控制需求,克服内外干扰,保证高精度、快响应、强鲁棒和自适应的控制性能,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,目前针对以姿态四元数描述为基础的运载器控制方法中主要有PID控制、自抗扰控制、反步控制和滑模控制等几类。其中Hao根据小角度假设,简化四元数姿态运动学,只需四元数中的3个矢量误差和角速率,即可设计PD控制律,然而该方法不适用于大姿态机动,且控制精度较差。BrianD采用差分方法获得期望四元数导数值,进而通过姿态运动学方程获得期望角速率与反馈角速率比较后送入PI控制器,然后通过动力学反馈信号的∑-Π神经网络训练阻尼(D)反馈项,从而构成PID控制律获得角加速度信号,最后由动态逆设计控制指令。然而该方法需要复杂的神经网络训练过程、计算量较大、响应时间也较长,同时其鲁棒性也难以保证。朱成设计了基于四元数的自抗扰控制器,实现了姿态四元数与三轴控制指令的解耦,然而其控制指令极易饱和、姿态响应时间较慢且存在超调等缺点。刘忠基于四元数误差概念提出了基于非线性反步法的导弹姿态控制器,然而该方法存在对噪声的抑制能力较差、姿态响应时间较慢、极易产生初始较大控制指令等缺点。赵琴针对空间拦截器问题,基于四元数姿态控制模型设计了滑模控制器,然而该控制器存在滑模抖振、依赖扰动上界及其导数值等缺点。

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全程飞行时,姿态角发生大幅变化易导致姿态奇异条件下的控制问题,提出了一种垂直起降重复使用运载器自抗扰滑模控制方法。

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自抗扰滑模控制方法,包括以下步骤:

步骤一:垂直起降重复使用运载器以程序角为制导指令,采用四元数法进行姿态描述,通过转换将程序角制导指令转为四元数制导指令,从而为后续控制器设计提供期望输入;

步骤二:针对垂直起降重复使用运载器,建立其姿态动力学模型和姿态运动学模型,并定义姿态四元数向量X1=[q0 q1 q2 q3]T,姿态角速率向量X2=[ωx ωy ωz]T和控制向量U,进而建立二阶状态空间形式的姿态控制模型;

步骤三:设计非线性反馈控制律,基于反演设计原理,采用两次非线性反馈控制律获得虚拟的角加速度控制指令;

步骤四:针对步骤二中所建立的垂直起降重复使用运载器姿态控制模型,将扰动扩张为第二个状态向量,进而设计二阶系统的扩张状态观测器,从而实现对状态量和扰动量的精确估计;

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