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基于鲁棒增益调度的可重复使用助推器控制系统研究
作 者: 黄佳
导 师: 穆荣军
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 飞行器设计
关键词: RBV 鲁棒增益调度 μ综合 控制信号插值
分类号: V448.2
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
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内容摘要
航天运载器实现可重复使用是降低航天运输成本,提高运载能力和发射频度的必由之路。可重复使用助推器(RBV, Reusable Boosted Vehicle)是一种可以动力返回、滑行着陆的可重复使用飞行器。由于存在非线性、时变、动力学耦合、气动耦合、惯性耦合以及大攻角机动等特征,其控制系统的设计显得尤为困难。本文对RBV再入段姿态控制系统的设计理论和方法进行研究,采用鲁棒控制中的μ综合理论与增益调度控制结合的方式设计控制器。一方面,运用鲁棒控制保证系统在存在不确定性时的稳定性;另一方面,运用增益调度控制减小鲁棒控制带来的保守性。本文的主要研究内容有如下几方面:1、针对RBV的特点,建立RBV再入段非线性运动模型。在此基础上,采用小扰动线性化方法对其运动模型进行线性化。2、鲁棒增益调度控制器的设计。根据传统增益调度设计的四个步骤:第一步,选择适当的调度变量;第二步,选取适当的特征点;第三步,在各特征点处设计鲁棒控制器,控制器采用三通道独立设计,将通道间的气动耦合和惯性耦合视为干扰,列入不确定性的范围。考虑测量噪声和外部干扰,将这些因素统一用不确定性模块来描述。选择适当的权函数将不确定性和外部输入输出信号标准化,进而将RBV的控制系统结构转化成标准μ综合设计结构。以上步骤完成后,采用D-K迭代算法可以设计出特征点的鲁棒控制器,然后将设计出的控制器代入闭环系统,分析其鲁棒稳定性和鲁棒性能。由于D-K迭代算法得到的控制器阶数较高,为了实际工程应用的可行性,本文采用平衡截断法对控制器进行降阶;第四步,通过插值得到特征点之间的特征点对应的控制器,由于鲁棒控制器结构与阶数的不确定性,所以本文采用控制信号插值法,对控制器的输出信号进行插值,得到RBV全局非线性控制器。3、最后,通过六自由度非线性数学仿真,验证了所设计的控制器的有效性和可行性。
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全文目录
摘要 4-5 Abstract 5-9 第1章 绪论 9-18 1.1 课题背景及研究的目的和意义 9 1.2 可重复使用助推器的发展历史与现状 9-12 1.3 可重复使用助推器控制律研究现状 12-17 1.4 论文的工作要点和内容安排 17-18 第2章 RBV运动模型的建立 18-31 2.1 坐标系与角度的定义 18-20 2.1.1 坐标系定义 18 2.1.2 坐标系转换 18-20 2.2 RBV非线性模型的建立 20-26 2.2.1 质心动力学方程 20-21 2.2.2 质心运动学方程 21-22 2.2.3 姿态动力学方程 22-23 2.2.4 姿态运动学方程 23 2.2.5 其他补充方程 23-26 2.3 RBV线性化模型的建立 26-30 2.3.1 关于攻角和侧滑角的质心动力学方程 27-29 2.3.2 姿态动力学方程 29-30 2.4 本章小结 30-31 第3章 鲁棒控制与增益调度基本理论 31-43 3.1 鲁棒控制的数学基础 31-33 3.1.1 范数的描述 31-32 3.1.2 线性分式变换(LFT) 32-33 3.2 系统不确定性描述 33-35 3.2.1 非结构不确定性 33-34 3.2.2 结构不确定性 34-35 3.3 μ综合设计方法 35-41 3.3.1 小增益定理 35 3.3.2 结构奇异值 35-36 3.3.3 鲁棒稳定性与鲁棒性能 36-39 3.3.4 μ综合设计方法 39-41 3.4 增益调度基本原理 41-42 3.5 本章小结 42-43 第4章 鲁棒增益调度控制器设计 43-60 4.1 调度变量与特征点的选取 43-44 4.1.1 调度变量的选取 43 4.1.2 特征点的选取 43-44 4.2 特征点鲁棒控制器设计 44-59 4.2.1 RBV不确定性模型的建立 44-46 4.2.2 控制系统结构 46-48 4.2.3 权函数的选取 48-49 4.2.4 鲁棒控制器设计 49-50 4.2.5 特征点控制系统仿真结果与分析 50-53 4.2.6 控制器降阶 53-54 4.2.7 控制器插值 54-56 4.2.8 非线性仿真与分析 56-59 4.3 本章小结 59-60 结论 60-62 参考文献 62-66 致谢 66
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中图分类: > 航空、航天 > 航天(宇宙航行) > 航天仪表、航天器设备、航天器制导与控制 > 制导与控制 > 航天器制导与控制
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