升力式再入飞行器体襟翼姿态控制方法

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1、2016年3月第42卷第3期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsMarch2016V01．42No．3http：ffbhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2015．0192升力式再入飞行器体襟翼姿态控制方法王之1，李惠峰1’+，包为民1’2(1．北京航空航天大学宇航学院，北京100083；2．中国航天科技集团公司，北京10004

2、8)摘要：针对升力式再入飞行器体襟翼控制三通道时的非最小相位问题。设计了一种姿态输出跟踪控制方法。选择合理的局部微分同胚，将姿态输入．输出模型转换为正则形式并得到内动态。通过对内动态进行稳定性分析并提出系统非最小相位特性的判据，采用此判据可判定当存在副翼反效时该输出跟踪控制问题为非最小相位控制问题。针对该问题，首先依据内动态与外部动态的线性相关度将正则模型分解为最小相位子系统(纵向通道)和非最小相位子系统(横侧向通道)，然后运用动态逆控制技术对2个子系统分别设计状态反馈控制器，最后基于Lyapunov

3、方程和最小范数控制策略在非最小相位子系统中引入非线性辅助控制项以镇定整个姿态控制回路。仿真结果表明了在仅有体襟翼控制的情况下该控制方法能够精确跟踪控制指令并镇定内动态。关键词：升力式再入飞行器；体襟翼姿态控制；非最小相位特性判据；副翼反效；最小范数控制策略中图分类号：V448．2文献标识码：A文章编号：1001，5965(2016)03-0532．10升力式再人飞行器通常具有飞行状态跨度大、飞行环境恶劣及动力学特性复杂等特点⋯，为适应不同飞行环境，通常配备了反作用力控制系统(RCS)和多种气动舵面，如

4、体襟翼、副翼、升降舵、V形垂尾等。以HTV-2为代表的升力式再入飞行器，出于任务要求只配置了左右体襟翼和RCS，主要依靠体襟翼完成姿态控制(考虑到经济性和有效性，RCS一般作为辅助实现控制)。左右体襟翼只能通过同向偏转、差动偏转实现等效于升降舵和副翼的控制，直接作用到俯仰通道和滚转通道，无法实现对偏航通道的直接控制。一般来说再人姿态控制选取攻角和倾侧角作为跟踪指令旧o，以倾侧角为输出、副翼为输入时横侧向通道将存在内动态，通常引入零动态来考察内动态的稳定性"1。对飞行器而言，其动力学特性决定了在飞行包线

5、内系统极易出现零动态不稳定的情况，此时系统表现为非最小相位特性。而对于非最小相位系统，若不处理不稳定零动态，用传统的控制方法实现跟踪控制将需要无限大的控制能力”。，这给控制器的设计提出了很大的挑战。为解决非最小相位系统的控制问题，均需要考虑如何处理不稳定零动态。文献[5]综述了目前非线性非最小相位系统的研究成果，并对其镇定、轨迹跟踪及路径跟踪等控制方法进行了分析比较。国内外对非最小相位系统轨迹跟踪的研究主要可分为近似线性化、输出重定义、动态滑模控制、MIMO系统分解方法和最小范数控制策略等。Benve

6、nuti等¨1通过去除线性化后原系统右半平面的一个零点，来局部重新定义一个输出，使得新的系统是最小相位。这种方法处理弱非最小相位收稿日期：2015-04-02；录用日期：2015-08-06；网络出版时间：2015-09-0809：58网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150908．0958．001．html基金项目：国家自然科学基金(61174221，11272062){通讯作者：Tel．：010-82339276E-mail：lihuifeng

7、@buaa：edu．cn引用格式：王之，李惠峰，包为民．升力式再入飞行器体襟翼姿态控制方法ⅣJ．北京航空航天大学学报，2016，42pJ：532．541．WANGZ．LIHF，BAOWM．Body-r'／apattitudecontrolmethodforliftingre—entryvehicle【】1．JournalofBeijiogUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016。42f3)：532-541(inChinese)．第3期王之，等：升力式再入飞

8、行器体襟翼姿态控制方法533系统结果尚可，却无法解决强非最小相位系统问题。Martin等‘71为解决强非最小相位系统问题，提出了输出重定义方法。通过选择合适的输出，可以使响应的系统不含零动态或内动态，进而实现全状态反馈线性化，但由于无法总结出系统的方法选择合适的输出，故实施起来需要不断尝试。文献[8-9]基于动态滑模方法研究了非最小相位系统的输出跟踪，这种方法结合了传统滑模控制和动态补偿的优点，性能比静态反馈更强，但对被控对象的形式需要做出较强的假设，而