[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

摘要

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。

主权项

1.一种垂直起降重复使用运载器的非线性自抗扰控制方法，其特征在于：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；所述步骤一具体为：在垂直起降重复使用运载器调姿段飞行过程中的姿态动力学模型为：式中和代表垂直起降重复使用运载器的转动惯量；和代表滚转角速率、偏航角速率和俯仰角速率；q为动压，S为运载器参考面积，l为参考长度，V为速度；α为攻角，β为侧滑角；α_w和β_w为高空风引起的攻角和侧滑角；和为纵向静稳定系数和横向静稳定系数；和为滚转、偏航和俯仰方向的阻尼力矩系数；M_xRCS，M_yRCS和M_zRCS为三轴方向的RCS控制力矩；M_BX，M_BY和M_BZ为三通道存在的结构干扰力矩或外部干扰力矩；为的导数值，为的导数值，为的导数值；垂直起降重复使用运载器调姿段的姿态运动学模型为：式中为俯仰角，ψ为偏航角，而γ为滚转角；和分别是ψ和γ的导数；定义U＝[M_xRCS M_yRCS M_zRCS]^T，则由式(1)和式(2)可得姿态控制状态空间模型有：其中为X₁的导数值，为X₂的导数值；且进一步简化可得：垂直起降重复使用运载器在调姿飞行段采用程序角飞行，定义程序角状态变量为则控制系统的设计目标是使得状态量X₁在有限时间内跟踪程序角制导指令步骤二：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固定时间收敛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；所述步骤三具体为：针对姿态控制模型，设计非线性扩张状态观测器：其中z₁(t)，z₂(t)，z₃(t)分别代表对状态量X₁(t)，X₂(t)和扰动D(t)的观测值；和均表示z₁(t)，z₂(t)和z₃(t)的导数值；η1(t)＝X₁(t)，ε为设计参数；h_i(x),i＝1,2,3为Lipschitz函数，满足不等式|h_i(a)‑h_i(b)|≤l₀|a‑b|，l₀为Lipschitz常数；h_i(x)满足：式中κ₁，κ₂和κ₃为增益系数；g(x)函数为：因此，根据上述设计的扩张状态观测器，z₁(t)能够估计出X₁(t)的值，z₂(t)用于估计X₂(t)，而z₃(t)则用于估计扰动值D；其估计误差将在固定的时间内收敛至零域，收敛时间T_max上界为：式中σ为可调整的设计参数；由此即完成了非线性扩张状态观测器设计；步骤四：基于步骤二和步骤三中分别设计的有限时间收敛的非线性TD跟踪微分器和固定时间收敛的非线性扩张状态观测器，设计非线性自抗扰控制器，使其具有李雅普诺夫稳定性；步骤五：针对步骤四中的非线性自抗扰控制器，设计非线性反馈控制律，从而保证非线性自抗扰控制器具有快速的收敛性能和整个闭环系统的稳定性能。