面向安全域的RLV再入轨迹重构与姿态协同控制

With the aim to improve the autonomy, safety, reliability and flexibility for Reusable Launch Vehicle (RLV) subject to uncertainty, unknown states, actuator fault and complicated path constraints, a trajectory and attitude coordination control scheme with the capabilities of trajectory reconstruction, self-diagnosis and self-fault-tolerance is developed. Firstly, security region based RLV reentry trajectory reconstruction and online tracking guidance is proposed to address the fast trajectory reconstruction and tracking under emergencies, which generates the feasible guidance commands for attitude control system. Secondly, in order to ensure that the guidance commands can be tracked with high precision, an adaptive multi-variable finite-time observer and controller are designed in output feedback. At the same time, the unknown states and the uncertainty can be estimated by the proposed observer. Thirdly, a dynamic tolerant fault control allocation algorithm is proposed based on fixed-time fault observer, which ensures that the actuator fault can be identified in a fixed-time interval and then the control commands are redistributed. Finally, the security region based RLV reentry trajectory reconstruction and attitude coordination control system is established under Dspace. The efficiency of the proposed method is verified in terms of stability, dynamics, robustness and real time capabilities.

综合考虑RLV再入过程中模型参数不确定边界未知、部分状态不可测、执行器故障及路径约束对系统性能的影响，以开发具有轨迹重规划、自诊断、自容错功能的轨迹姿态协同策略，提高再入飞行的自主性、安全性、可靠性和灵活性为目的，重点开展以下研究：1）面向安全域的RLV再入轨迹重构与在线跟踪制导，解决突发情况下轨迹的快速重构与在线跟踪，并为姿态控制系统提供可行的制导指令；2）基于输出反馈的有限时间自适应多变量观测器-控制器综合，在有限时间内实现对未知状态和不确定在线观测的同时，完成对制导指令的高精度快速跟踪，并为控制分配提供期望控制力矩；3）基于固定时间故障观测器的动态容错控制分配算法，在固定时间内实现对执行器故障快速辨识的同时，完成控制指令的分配；4）面向安全域的RLV再入轨迹重构及姿态协同控制系统构建及测试，在Dspace下完成系统的集成设计，并从稳定性、动态性、鲁棒性和实时性角度对系统性能进行验证。

课题在综合考虑可重复使用运载器（Reusable Launch Vehicle, RLV）再入过程中的模型参数不确定、未知外界干扰、执行器故障及复杂路径约束(热流、动压及过载约束等)对系统性能影响的基础上，以开发具有轨迹重规划与容错功能的再入制导控制策略，提高RLV再入飞行的自主性、安全性、可靠性和灵活性为目的，重点：1）研究面向安全域的RLV再入轨迹重构与在线跟踪制导策略，解决突发情况下轨迹的快速重构与轨迹在线跟踪控制；2）研究基于自适应多变量干扰补偿的有限时间观测器-控制器综合设计方法，在有限时间内实现对不确定在线观测的同时，完成对再入制导指令的高精度快速跟踪；3）研究基于固定时间故障观测器的动态容错控制分配算法，在固定时间内实现对执行器故障快速辨识的同时，完成对控制指令的有效分配；4）研究基于Dspace的面向安全域的RLV再入轨迹重构及姿态协同控制系统构建及测试，并从稳定性、动态性、鲁棒性和实时性角度对系统性能进行验证。通过课题研究，提出了基于自适应伪谱法和间接伪谱法相结合的面向安全域的RLV再入轨迹重构与姿态协同控制策略，再入轨迹重构时间优于1秒；提出了基于自适应多变量超螺旋算法的再入姿态跟踪控制器设计方法，并基于齐次性理论和Lyapunov稳定性理论推导了系统稳定性的条件，仿真验证表明，本课题提出的方法在系统模型存在30%参数不确定及外界干扰综合影响下，仍能确保系统的稳定性，且实现的姿态跟踪精度约为0.05度；提出了基于齐次性理论的固定时间故障观测器设计方法，在不依赖于系统初值情况下，实现了在给定时间内对系统故障的快速观测，最后搭建了面向安全域的RLV制导控制虚拟仿真验证平台，基于该平台完成了对提出算法的有效性测试。课题提出的面向安全域的RLV再入轨迹重构与姿态协同控制策略，可为具有多变量、强耦合、非线性、不确定、多约束及执行器故障影响的复杂飞行器的安全稳定设计提供有益参考。