[发明专利]基于SDRE的再入飞行器自适应最优滑模姿态控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于SDRE（State-dependent Ricccati equation，状态依赖矩阵Riccati方程）的再入飞行器自适应最优滑模姿态控制方法，属于飞行器控制技术领域。

背景技术

对于再入飞行器来讲，再入过程中飞行条件（空域、速域）大范围变化，各通道间耦合严重，呈现出强烈的非线性动态特性。另外，各种不确定性外部扰动的存在以及飞行器的气动特性不能精确获知，导致其姿态控制变得异常复杂。再入飞行器控制系统设计要解决的关键问题是抑制上述非线性、强耦合和不确定性对系统性能的影响。

目前，针对再入飞行器姿态控制系统设计的非线性方法已经有许多。Alfred C.W.[Alfred C W.Control of a high performance maneuvering reentry vehicle using dynamic inversion[C].AIAA Guidance,Navigation,and Control Conference and Exhibit,California:San Francisco,AIAA 2005-6375.]将动态逆用于大攻角、高动压的高性能机动再入飞行器，并证明了动态逆的切实可行性；韩艳铧[韩艳铧,周凤岐,周军.基于反馈线性化和变结构控制的飞行器姿态控制系统设计[J].宇航学报,26(6):637-641.]和van Soest W.R..[van Soest W.R.,Chu Q.P.,Mulder J.A..Combined Feedback Linearization and Constrained Model Predictive Control for Entry Flight[J].Journal of Guidance,Control,and Dynamics,29(2),2006:427-434.]分别将反馈线性化方法和滑模控制、预测控制结合，设计了再入飞行器姿态控制器，并达到了较好的控制效果。然而，这些方法一般都是基于模型线性化的基础上进行控制器设计的，这样就会带来一定的系统建模误差，尤其是采用反馈线性化方法时需要已知系统的精确模型。

SDRE作为一种近年来新兴的旨在解决一大类非线性系统控制问题的非线性控制方法，对系统非线性方程进行直接参数化，从而保留了系统有益的非线性特性，通过在线求解状态依赖的黎卡提方程获得满足一定性能指标的控制律。然而，直接对再入飞行器姿态控制系统分快、慢回路应用SDRE方法[张军,毕贞法,邵晓巍.一种高超声速飞行器的非线性再入姿态控制方法[J].空间控制技术与应用，34(4),2008:51-54.]，会带来计算量大的问题，要求机载计算机处理数据速度较快。为了减小在线计算量，受时不变系统最优滑模控制的启发[Utkin,V.I.Sliding Modes in Control and Optimization[M].Springer,Berlin,1992.]，本文将SDRE方法与滑模控制结合，提出一种基于SDRE方法的最优滑模控制方法，实现对姿态角的有效跟踪。

滑模控制方法对系统中存在的匹配参数不确定性和外部扰动具有较强的鲁棒性，其切换增益的选取一般是基于系统中不确定性上界来确定的。然而，对于再入飞行器控制系统来讲，系统不确定上界不容易获得。若切换增益取值过于保守，即选择足够大的切换增益来保证滑模到达条件，会带来严重的抖振问题；相反，若切换增益取值太小，系统抵抗干扰能力变弱，鲁棒性较差。为此，寻求一种自适应方案，通过在线计算获得滑模控制的切换增益。

发明内容

本发明的目的是针对再入飞行器快时变、强耦合以及高度非线性的特点，通过将SDRE方法与自适应滑模控制方法结合，对于存在气动参数不确定性以及外部干扰的再入飞行器，提出了一种基于SDRE的自适应最优滑模姿态控制方法。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

步骤1，以关于机体坐标系x-O-y平面对称的无动力再入飞行器模型为对象，建立姿态运动方程。其中，绕质心转动的运动学方程为：