[发明专利]一种针对垂直起降可重复使用火箭返回飞行的固定时间收敛抗扰控制方法

说明书

本发明提出一种针对垂直起降可重复使用火箭返回飞行的固定时间收敛抗扰控制方法，包括以下步骤：步骤一：建立垂直起降可重复使用火箭返回姿态控制状态方程；步骤二：设计固定时间收敛扰动观测器；步骤三：设计跟踪微分器；步骤四：设计基于固定时间收敛扰动观测器的抗扰控制器。本发明消除了滑模控制不连续控制项带来的抖振问题，同时通过调节观测器参数从而平衡系统收敛速度、鲁棒性和精度要求，减少观测器调节过程对控制系统造成的影响，因此在垂直起降可重复使用火箭返回飞行姿态控制器设计中具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于飞行器控制技术领域，特别是涉及一种针对垂直起降可重复使用火箭返回飞行的固定时间收敛抗扰控制方法。

背景技术

可重复使用运载器是突破传统一次性运载火箭成本高、残骸落点安全威胁大、发射密度低等局限的有效途径，相较于垂直起飞/水平降落、水平起飞/水平降落等其他不同起降方式的可重复使用运载器，垂直起降可重复使用运载器仅需对传统火箭进行小幅改动，着陆场地需求弱、技术跨度小、研发成本相对较低。特别是自SpaceX等航天公司多次成功实现垂直起降可重复使用火箭的子级垂直回收并复用，垂直起降可重复使用运载器逐渐显现其在商业航天发射市场的竞争力。

目前针对垂直起降可重复使用运载器返回飞行的姿态控制器设计的研究报告较少。对于垂直起降可重复使用运载器返回飞行姿态控制此类复杂干扰和大不确定性条件下的高品质非线性控制问题，滑模控制由于具有对匹配扰动和不确定性的不变性而被广泛应用。但由于实际应用中系统惯性和采样频率有限等原因，滑模控制中的不连续控制项将会引起系统的抖振。针对滑模抖振问题，如“火箭起飞段姿态系统的滑模变结构控制”，孙慧杰，哈尔滨工业大学学位论文，2013年，设计的自适应终端滑模控制方法，通过增益的自适应调整以匹配扰动变化，能够在复杂扰动条件下保持系统收敛的同时有效抑制抖振，但自适应滑模方法的收敛速度将受限于增益的自适应调整过程。另一种可行的解决途径为基于观测器的控制方法，如“重复使用运载火箭精确回收滑模动态面控制”，钱默抒，熊克，王海洋，宇航学报，第39卷第8期，2018年，879页-888页，设计了自适应滑模观测器用于估计扰动和不确定性，进而设计了基于观测器的滑模动态面控制方法，使用的观测器能够在有限时间内收敛，但其收敛时间取决于初始偏差并随着初始偏差的增大而增大，而观测器的调节过程过长将对控制系统性能造成不利影响。

发明内容

本发明目的是为了解决垂直起降可重复使用火箭在返回飞行中非线性、高动态、复杂扰动影响下的控制问题，提出了一种针对垂直起降可重复使用火箭返回飞行的固定时间收敛抗扰控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种针对垂直起降可重复使用火箭返回飞行的固定时间收敛抗扰控制方法，具体包括以下步骤：

步骤一：建立垂直起降可重复使用火箭返回姿态控制状态方程，为抗扰控制器的设计提供基础；

步骤二：针对姿态控制状态方程及对应的匹配扰动，设计固定时间收敛扰动观测器用于高精度快速估计扰动；

步骤三：针对控制输入的姿态角指令存在的突变问题，设计跟踪微分器；

步骤四：根据固定时间收敛扰动观测器的输出，设计基于固定时间收敛扰动观测器的抗扰控制器。

进一步地，所述步骤一具体为：

考虑到垂直起降火箭在执行不同任务和发射剖面时无准确返回空域大气和风场数据，且返回时面临燃料消耗、一子级尾部不规则气动外形再入参数不确定性及其他未建模动态和内外扰动，建立如下的非线性系统模型：