【摘 要】
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可重复使用运载器（Reusable Launch Vehicle,RLV）是未来低成本空天运输的主要发展方向,但是其再入过程中存在诸多严苛的约束、未知干扰、不确定性以及可能发生的执行器故障等问题,对制导和控制系统的鲁棒性与容错能力提出了较高要求。在上述背景下,本文针对RLV的再入多约束鲁棒制导和容错控制问题展开研究工作。首先,对本文所采用的飞行器模型HORUS-2B的参数进行了介绍,在考虑地球自转
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可重复使用运载器（Reusable Launch Vehicle,RLV）是未来低成本空天运输的主要发展方向,但是其再入过程中存在诸多严苛的约束、未知干扰、不确定性以及可能发生的执行器故障等问题,对制导和控制系统的鲁棒性与容错能力提出了较高要求。在上述背景下,本文针对RLV的再入多约束鲁棒制导和容错控制问题展开研究工作。首先,对本文所采用的飞行器模型HORUS-2B的参数进行了介绍,在考虑地球自转影响的情况下,建立了完整的六自由度状态方程,并且进一步阐述其尾部后缘反作用控制系统（Reaction Control System,RCS）的布局和喷管推力设置。第二,基于预测校正算法设计了RLV再入制导系统。针对再入过程中存在的热流密度、过载与动压约束,结合改进准平衡滑翔条件将其转化为倾侧角幅值约束。进一步考虑禁飞区和航路点约束,提出一种基于改进牛顿迭代法的倾侧角翻转位置搜寻策略,通过在合适的位置翻转倾侧角以完成地理约束任务。为提高该多约束制导系统的鲁棒性,针对气动参数不确定性问题,在渐消记忆滤波器的基础上,设计了随标称剩余能量和升阻比自适应调整的迎角剖面和横程误差走廊。第三,针对未知干扰、不确定性以及执行器部分失效问题,本文基于增量反步（Incremental Backstepping,IBS）控制方法,对仿射非线性方程进行泰勒展开,采用状态量的导数代替复杂的非线性项,并结合反双曲正弦函数的跟踪微分干扰补偿器对传统IBS设计过程中的省略项进行估计并在控制律中进行补偿,所设计控制系统对模型信息依赖较少,并且指令解算相对简单。针对舵面卡死故障,设计了一种RCS和舵面的复合控制策略,采用RCS对发生卡死故障的执行器力矩进行补偿,以增强控制系统的容错能力。最后,充分考虑制导系统和控制系统之间的互相影响,对两个子系统进行了联合仿真。由于控制系统的执行能力有限,本文对倾侧角翻转速率进行限制,并将其转化为关于能量的约束在预测校正制导过程中进行校正,消除其对地理约束任务的影响。针对舵面输入饱和约束,设计了抗饱和辅助系统对控制器进行改进,进一步增强了控制系统的鲁棒性,并对联合系统在多种故障和干扰下的性能进行了验证。
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