再入飞行器耦合非线性动力学分析及解耦控制研究

This research project systematically carries out the studies of the coupling nonlinear dynamics modeling, nonlinear dynamics analysis and synthesis and nonlinear decoupling control method in the reentering process of the reentry vehicles. First, the coupling nonlinear dynamics modeling of the reentry vehicle under the conditions of large angle of attack, rolling, dynamic imbalance, large airspace maneuvering and so on, is studied with focus on the non-stationary aerodynamics modeling problem. Second, the bifurcation analysis and catastrophe theory methodology (BACTM) is employed to calculate and analyze the non-stationary nonlinear dynamic characteristics of the reentry vehicle in conditions of large angle of attack and inertial coupling. Meanwhile, closed-loop control law design problem under the compound control of the direct force and aerodynamic control is also being studied based on the analysis in BACTM. Finally, for the dual-channel attitude control system, a compensation principle-based adaptive fuzzy decoupling control method is studied. And considering the unknown model structure and parameters of the re-entry vehicle, state observer-based nonlinear adaptive fuzzy decoupling control method is studied based on the research of stable nonlinear adaptive fuzzy decoupling control. The studies of this project can provide an important theoretical foundation for the reentry vehicle engineering and control system design and have important reference value.

本项目以空天往返的再入飞行器为背景，系统地开展飞行器再入大气层过程中的耦合非线性动力学建模、非线性动力学分析与综合以及非线性解耦控制三个方面的研究。首先研究大攻角、滚转、动不平衡、大空域机动等条件下的耦合非线性动力学建模问题，重点研究非定常气动力的建模问题。其次，采用分支分析和突变理论方法（BACTM）研究大攻角非定常气动力和惯性耦合条件下再入飞行器的非线性动力学特性，同时在BACTM分析的基础上，重点研究直接力和气动舵复合控制方式下的闭环控制律设计问题。最后，研究再入飞行器非线性解耦控制问题。针对一类双通道姿态控制方案，研究基于补偿原理的自适应模糊解耦控制方法。考虑系统模型结构和参数未知的情况，在稳定非线性自适应模糊解耦控制研究基础上，开展基于状态观测器的非线性自适应模糊解耦控制方法研究。本项目研究可以为再入飞行器总体及控制系统设计提供重要的理论依据，对工程实际具有重要参考价值。

本项目以空天往返的再入飞行器为背景，系统地开展飞行器再入大气层过程中的耦合非线性动力学建模、非线性动力学分析与综合以及非线性解耦制导控制等内容的研究。首先基于再入飞行器耦合非线性动力学模型，综合考虑惯性耦合、气动耦合以及控制耦合等因素的影响，完成了再入飞行器的动力学特性仿真分析。.其次，重点研究了再入飞行器的非线性耦合制导与控制问题。针对再入制导问题，提出了一种新的可以满足地理约束以及其他路径约束的三维自主再入制导律。该制导律可以分为轨迹规划器和轨迹跟踪器，可实现在线轨迹规划和精确轨迹跟踪；为了提高再入制导律的实时性和鲁棒性，提出一种基于滚动时域控制和间接Legendre伪谱法的轨迹跟踪制导律。在有限时间收敛理论的基础上，针对导弹拦截机动目标的问题，通过扩张状态观测器对目标加速度进行实时的观测和动态补偿，设计了一种基于扩张状态观测器的全新滑模制导律。.针对再入控制问题，研究在大范围系统不确定和外界扰动下滑翔式飞行器的有限时域姿态控制问题，利用反馈线性化技术消除运动方程的非线性，从而建立姿态控制器的基本模型。然后，基于该基本模型，提出两种结合扰动观测器的时变滑模控制方法；为了应对再入飞行时的飞行故障，提出了一种主动容错控制策略。所提出的主动容错控制策略包括飞行故障检测方法和再入姿态控制器重构两部分；结合动态面控制方法和滑模控制方法，提出了一种新型不依赖时间分离原则的导弹自动驾驶仪设计方法。.引入制导控制一体化思想，将IGC（Integrated Guidance and Control, IGC）三通道耦合设计问题归纳为含匹配/非匹配不确定性的非自知非线性控制系统的状态调节问题，通过扩张状态观测器对各通道间的动态耦合项和不确定性进行实时观测和动态补偿，实现通道间的主动解耦，从而获得基于扩张状态观测器的IGC三通道主动解耦设计方法。.最后，还开展了包括模糊解耦控制、气动/推力矢量复合控制分配策略、运载器主动段终端多约束能量管理制导方法以及再入飞行器拦截问题等方面的研究。.仿真结果验证了以上方法和结论的有效性，作为本项目的研究成果可为再入飞行器总体及控制系统设计提供重要的理论依据，对工程实际具有重要参考价值。.