近空间飞行器鲁棒协调姿态控制

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1、中图分类号：TP273论文编号：102870318-SX122学科分类号：081101硕士学位论文近空间飞行器鲁棒协调姿态控制研究生姓名张鹏学科、专业控制理论与控制工程研究方向近空间飞行器飞行控制指导教师吴庆宪教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringRobustCoordinatedAttitudeControlofNearSp

2、aceVehicleAThesisinControlTheoryandControlEngineeringbyZhangPengAdvisedbyProfessorWuQingxianSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著

3、作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要随着科技在航空航天领域的快速发展，以及国际形势的愈加紧张，近空间飞行器逐渐成为了各个国家捍卫军事地位和保护国家安全的强大武器。然而，近空间飞行器具有复杂的非线性、快速的时变性、强烈

4、的耦合性，以及严重的不确定性等四大特点，为飞行控制系统的设计带来了巨大挑战。本文以缓解强耦合性给飞行器姿态带来的负面影响为目标，研究了近空间飞行器姿态系统的鲁棒协调控制问题。本文的主要研究内容如下：首先，结合国内外现有的研究成果和实验数据，建立了近空间飞行器典型的六自由度-十二状态非线性模型。同时，以标准大气为飞行环境，研究了近空间飞行器在开环条件下的飞行特性。在此基础上，通过设置不同的状态初始值，从直观的角度，分析了姿态系统中状态间的耦合特性。接着，为了满足近空间飞行器对控制器鲁棒性的强烈需求，采用滑模控制方法进行姿态

5、控制器设计。然而，考虑到传统滑模控制中普遍存在的“抖振”现象，将组合滑模切换面和单向辅助面相结合，对传统的滑模控制方法进行改进，设计了单向滑模控制器。考虑到该种改进型滑模控制器具有收敛速度慢的缺陷，通过设计多种形式的趋近律，并以状态误差收敛到滑模面上的时间为性能指标，在提高控制器收敛性能方面做出了实验与分析。最终，所设计的单向滑模控制器既可以削弱滑动模态的“抖振”现象，又可以加快控制器的收敛速度。然后，针对近空间飞行器的姿态系统，设计了耦合协调控制器。将数理统计学的相关知识应用于近空间飞行器的姿态控制器设计中，分别定义了

6、耦合度、耦合度矩阵等概念。通过对姿态系统进行闭环状态采样与数据统计，得到了姿态角、姿态角速率、控制舵面偏转角间的耦合度矩阵，实现了对姿态系统中耦合特性的量化。在此基础上，设计了有效的耦合协调控制器，并与单向滑模控制器成功相结合，使近空间飞行器姿态系统具有良好的稳定性、鲁棒性和协调性。最后，研究了近空间飞行器姿态系统在不确定性存在条件下的鲁棒协调控制问题，以及引入推力矢量后的动态控制分配问题。考虑到不确定性对于姿态控制效果的不利影响，分别对姿态慢回路和姿态快回路设计了非线性干扰观测器，通过对不确定性较准确的在线估计，设计了

7、鲁棒控制律，补偿了不确定性所造成的不利影响。为了保证控制指令的有效实现，提高控制舵面的工作效率，引入了发动机推力矢量控制，通过在代价函数中加入对舵面偏转速率的惩罚，对传统二次规划算法进行了改进，并根据舵面最大偏转角、最大偏转速率等限制条件，设计了代价函数中的权重矩阵，有效地抑制了舵面的偏转饱和现象，在一定程度上，提高了舵面的动态性能和工作效率，增强了多个舵面间的协调性。I近空间飞行器鲁棒协调姿态控制关键词：近空间飞行器，姿态控制，单向辅助面，滑模控制，耦合度矩阵，协调控制，鲁棒控制，干扰观测器，动态控制分配，二次规划II

8、南京航空航天大学硕士学位论文ABSTRACTWiththefastdevelopmentofscienceandtechnologyintheareaofaeronauticsandastronautics,aswellasthetensinginternationalsituation,nearspacevehic