可重复使用助推器控制方法研究

论文摘要

本文结合航天某背景单位工程应用需求,对可重复使用助推器的飞行控制方法进行了研究。可重复使用助推器飞行跨越空域大,根据飞行任务的需要又分为多个不同的飞行阶段,故设计一种能保证飞行器顺利完成全包线稳定飞行任务的控制系统尤为重要。目前国内外较为实用的飞行控制系统设计方法主要为增益调度控制法。增益调度法原理简单,在飞行控制系统的设计中得到了广泛应用。随着飞行器飞行速度的提高及超机动飞行的需要,增益调度控制器的设计越来越复杂,使用状态反馈的非线性动态逆法得到了关注。因此,本文结合可重复使用助推器的研究背景和设计特点,重点开展以下几方面的研究:1、飞行器非线性模型及控制模型的建立建立研究可重复使用助推器所用到的坐标系,根据动量和动量矩定理推导飞行器六自由度非线性模型及以攻角、侧滑角、滚转角为对象的控制模型。2、设计增益调度控制器,对非线性模型全程控制进行仿真验证根据不同的飞行阶段,分别建立小扰动线性化方程,得到俯仰、偏航、滚转三通道传递函数。设计对应三通道每个特征点的控制器控制参数,并通过协调仿真进一步优化控制参数。以马赫数为调参变量对飞行器的控制参数进行插值,进行全包线六自由度非线性仿真。3、设计非线性动态逆控制器,对非线性模型全程控制进行仿真并比较这两种控制器的控制效果采用状态反馈的方法,将飞行器的非线性方程转变为线性方程。根据时标分离的原则,设计飞行器的快回路和慢回路控制器,并进行全包线六自由度非线性仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 可重复使用助推器的发展
• 1.2.2 可重复使用飞行器控制律研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 飞行器运动数学模型的建立
• 2.1 坐标系与角度的定义
• 2.1.1 坐标系定义
• 2.1.2 角度定义
• 2.2 坐标转换关系
• 2.3 飞行器动力学方程
• 2.3.1 飞行器的质心运动学方程
• 2.3.2 飞行器的转动运动学方程
• 2.3.3 飞行器质心动力学方程
• 2.3.4 攻角与侧滑角的导数方程
• 2.3.5 飞行器质心转动动力学方程
• 2.3.6 飞行器气动舵模型
• 2.3.7 飞行器控制模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 增益调度控制器设计
• 3.1 引言
• 3.2 三通道独立设计
• 3.2.1 俯仰通道设计
• 3.2.2 偏航通道设计
• 3.2.3 滚转通道设计
• 3.3 协调控制及其设计方法
• 3.3.1 协调控制概念
• 3.3.2 协调控制系统的设计方法
• 3.4 飞行器非线性仿真
• 3.5 本章小结
• 第4章 非线性动态逆控制系统设计
• 4.1 非线性动态逆控制理论
• 4.2 非线性动态逆控制系统设计
• 4.2.1 反作用控制系统（RCS）控制设计
• 4.2.2 气动舵系统控制设计
• 4.3 非线性动态逆控制系统仿真结果
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢