移动质心再入飞行器建模及自抗扰滚动控制

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaNov252012V01．33No．112121—2129ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．eduCi3hkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2012)11-2121—09移动质心再入飞行器建模及自抗扰滚动控制李自行*，李高风北京控制与电子技术研究所，北京100038摘要：基于移动质心滚动控制方案，研究了其动力学系统建模和非线性耦合系统控制的问题。不同于移动质心控制系统建模中常用的牛顿力学建模和常规拉格朗日建模法，采用准坐标形式的拉格朗日法建

2、立了完整的系统动力学方程，避免了牛顿力学中复杂的相互作用力分析和常规拉格朗日建模法物理意义不明确的缺点。鉴于移动质心滚动控制系统的非线性、耦合性和时变性，提出把系统的非线性耦合项和外部干扰统归为未知扰动，并采用自抗扰控制(ADRC)技术进行估计和补偿，相对于常用的比例微分(PD)控制，自抗扰控制器能更好地适应系统参数的变化，具有很强的鲁棒性。最后，通过数学仿真验证了整个控制方案的可行性。关键词：移动质心滚动控制；动力学模型；拉格朗日法；非线性耦合；自抗扰控制中图分类号：V448．2；TJ765．2文献标识码：A目前，高超声速飞行器、高机动性能飞行器等一系列新型飞行器层出不穷，新的飞行环境

3、、复杂的飞行任务对飞行器的操纵机构提出了新的要求。与传统控制方案(空气舵或喷流控制)相比，移动质心控制具有不影响飞行器气动外形、无舵面烧蚀、无侧喷扰流等优点，因而成为近年来研究的热点技术。由于移动质心控制技术比较复杂，现阶段的研究还不够深入。而本文立足于移动质心控制技术理论分析和工程实现两个目的，通过研究分析选择一种有效且实现简单的移动质心滚动控制方案。在理论分析上，首次采用准坐标形式的拉格朗日法推导了物理意义明确且利于控制器设计的系统动力学方程，揭示了移动质心控制系统中移动质量块与飞行器的相互作用原理。从工程化应用角度，提出采用自抗扰控制(ActiveDisturbanceReject

4、ionControl，ADRC)技术估计并补偿移动质心滚动控制系统的耦合项及外部干扰，增强系统的鲁棒性和控制的精度。移动质心控制技术主要应用在3种形式的飞行器上：自旋形式[1≈]、滚动稳定形式口。4]、单通道滚动控制形式[5]。移动质心控制自旋飞行器各通道间存在较强的气动、控制、惯性和动力学耦合L6J，滚动稳定形式一般需要多个质量块配合且要求飞行器静稳定度非常小[4j，这给工程应用带来了困难。而本文研究的移动质心单通道滚动控制的飞行器通过滚动单通道的控制实现俯仰、偏航、滚动三通道控制的效果，具有控制形式简单，有利于工程实现的特点。这种飞行器具有如下特点：①自配平状态下产生固定的配平升力；

5、②俯仰和偏航通道不进行控制，依靠气动静稳定性来保证姿态的稳定；③通过移动一个横向配置的质量块改变飞行器的质心，产生滚动控制力矩控制飞收稿日期：2011-12-07；退修日期：2012一02—16；录用日期：2012—03—28；网络出版时间：2012-04-0718：40网络出版地址：WWWcnkii3et／kcms／detail／111929．V．20120407．1840．002．html基金项目：部级项目*通讯作者．Tel．：010·63301537E-mail：lizixin91026@126com鳓期梧武lLizX．LiGFMovingcentroidreentryvehicl

6、emodelingandactivedisturbancerejectionrollcontrolActaAeronauticaetAstro，nauticaSinica。2012，33(11)：212I-2129。李皂辑．李离风．移动凌心焉A飞行器建模及喜撬撬滚动控裁，航空学报。20’2。33(11)：2121—2129航空学报Nov252012VoI．33No11行器的滚动，进而改变配平升力的方向，达到控制15I行弹道的目的。建立移动质心滚动控制系统的动力学模型是整个系统分析、设计和仿真的基础。目前移动质心控制系统的建模主要采用两种方法：牛顿力学法[73和拉格朗日法[8]。牛顿力学法

7、具有物理意义明确的优点，但它需要分析移动质量块和飞行器之间的相互作用力，由于二者的相对运动较复杂，造成受力分析比较复杂；拉格朗日法可以避免受力分析，直接套用拉格朗日公式，但其方程是偏微分方程形式，物理意义不明确且不利于仿真计算。不同于以上两种建模方法，本文首次采用准坐标形式的拉格朗日法[93推导移动质心滚动控制系统的动力学方程，它避免了受力分析且建立的动力学方程物理意义明确。此外，文献[5]和文献ri0]都把滚动通道直接近似为线性二