可重复使用飞行器自适应再入制导控制方法研究.pdf

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1、国内图书分类号：V448.2学校代码：10213国际图书分类号：620密级：公开工学博士学位论文可重复使用飞行器自适应再入制导控制方法研究博士研究生：李浩导师：黄瑞松教授副导师：崔乃刚教授申请学位：工学博士学科：航空宇航科学与技术所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V448.2U.D.C.:620DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringADPTIVEENTRYGUIDANCEANDCONTROLMETHODFORRLVCa

2、ndidate：LiHaoSupervisor：Prof.HuangRuisongSecondarySupervisor：Prof.CuiNaigangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringAeronauticalandAstronauticalSpeciality：ScienceandTechnologyAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinI

3、nstituteofTechnology摘要摘要更加安全、可靠、自主是新一代可重复使用飞行器的发展目标。传统的飞行器再入段制导系统与控制系统采用独立设计的思想，迭代设计时间长，难以处理气动舵故障等意外情况，任务自主性和适应性差，无法保证飞行器的安全再入返回。本文对国内外可重复使用飞行器及其先进制导控制技术的发展情况进行了梳理，研究了自适应制导控制系统，并将其应用于新一代可重复使用飞行器的再入段中，主要的研究内容包括以下几个方面：首先，利用在线轨迹规划、自适应制导、可重构控制方法设计了外、中、内三回路的自适应制导控制系统。结合可重复使用飞

4、行器再入段的飞行任务特性以及飞行器的外形结构特点，分析了再入过程中可能出现的各种气动舵故障模式，给出了自适应制导控制系统的基本框架，并对各个子系统进行了简要的说明。其次，基于自适应PID控制方法研究了一种可重构控制方法。原始的再入控制问题通过线性化转化，将其设计为双回路反馈控制器，其中外回路对攻角、侧滑角、倾侧角进行跟踪，内回路对滚转、俯仰、偏航角速度进行跟踪。针对气动舵可能发生的典型故障，在此基础上设计了由自适应PID控制器和伪逆控制分配器组成的可重构控制器。仿真结果验证了可重构控制方法的可行性和有效性。再次，研究了一种将标称轨迹跟踪

5、制导、轨迹线性化控制与反步制导方法相结合的自适应制导方法。该方法先由轨迹规划模块对再入运动进行建模，考虑各项约束设计出用于制导跟踪的可行的参考轨迹。基于轨迹线性化控制原理设计了由高度环路、速度环路组成的双环轨迹跟踪制导系统，并给出了闭环动态矩阵参数的设置方法。在此基础上基于反步原理对已有制导方法进行适应性改进，促使制导和控制系统协同工作并最终实现飞行器气动舵故障模式下的姿态控制与飞行状态跟踪。仿真结果对比分析表明，该方法能够适应不同的飞行环境，制导精度高，与控制系统一起可实现故障模式下的轨迹跟踪。同时，研究了基于记忆规则的优化方法在可重

6、复使用飞行器在线轨迹规划问题中的应用。该方法由记忆模型、刺激类型、搜索策略、遗忘更新模型和记忆更新模型等模块组成。刺激类型判断模块根据目标函数值的变化来判断试探解性质的优劣；搜索策略模块给出了5种灵活多变的试探解搜索策略，从而能够确保算法的全局最优性以及快速收敛；遗忘与记忆更新模型通过计算总记忆的残留值，最终筛选出记忆残留值最大的试探解作为全局最优解。仿真结果表-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文明，该算法在收敛速度、收敛精度和全局最优性上具有一定的优势，这也验证了将记忆优化算法应用于在线轨迹规划是可行的。最后，研究了自适应制导控制系统

7、应用于可重复使用飞行器再入段具体的工作流程。对单个气动舵卡死故障进行了仿真分析，初步掌握保证飞行器安全返回的气动舵可用范围。综合考虑各项干扰，对多个气动舵同时发生卡死故障的情况进行蒙特卡洛打靶仿真，对比分析了采用传统制导控制系统和采用自适应制导控制系统后飞行器再入返回的成功率。仿真结果表明，自适应制导控制系统能够满足可重复使用飞行器的设计要求，具有较强的可靠性、自主性和安全性，能够很好地适应各种飞行环境和大多数的气动舵故障。关键词：可重复使用飞行器；气动舵故障；在线轨迹规划；自适应制导；可重构控制-II-AbstractAbstract

8、Significantlymoresafe,reliableandautonomousisthegoalofnextgenerationreusablelaunchvehicles(RLVs).Howeve