高超声速飞行器再入制导与姿态控制一体化设计研究

The guidance and control system plays a key role for a hypersonic vehicle in reentry phase. Compared to the traditional guidance and control system design method, integrated guidance and control design scheme has more advantages in improving the stability and reliability of the whole system. The project is based on the needs of reliable reentry of a hypersonic vehicle. Considering the disturbances in reentry phase, modern nonlinear control design methods are introduced to propose a strong robust controller that can guarantee the stability of the overall system composed by guidance and control loops. Firstly, a typical MIMO uncertain nonlinear system is abstracted from the fully integrated guidance and control model, and a robust control algorithm that is also concise in structure is designed. Then, since the drag acceleration rate is difficult for a hypersonic vehicle to measure accurately, a guidance law with finte sensory ability is proposed with taking the demands of integrated guidance and control design into consideration. Finally, the obtained theoretical results are used to solve the integrated design problem of guidance and control systems for a hypersonic vehicle based on the former research. This project seeks to explore a new way for reentry guidance and control using control theories and methods, and provide an important technical support to our hypersonic vehicles and other aircrafts.

制导与控制系统是高超声速飞行器实现成功返回再入大气层的关键。相比于传统设计方法，制导与控制一体化设计在提高系统稳定性和可靠性等方面更具优势。本项目基于对高超声速飞行器返回再入可靠性的需求，综合考虑再入过程中所受扰动，利用现代非线性控制理论，提出一种具有强鲁棒性并可确保制导与姿态控制系统整体上具有稳定性的控制器设计方法。首先，将飞行器再入制导与控制一体化全耦合模型抽象为一类典型的MIMO不确定非线性系统，并提出一种结构简单且具有强鲁棒性的控制算法。之后，针对阻力加速度的导数不易直接测量的问题，兼顾制导与控制一体化设计需求，设计了一种具有有限感知约束的再入制导律。最后，在上述研究的基础上，利用所得理论结果解决了高超声速飞行器制导与控制律一体化设计问题。本项目力图从控制理论和方法的角度探索飞行器再入制导与控制律设计的新体制、新方法，为我国高超声速飞行器等各类飞行器的研制做重要技术储备。

高超声速飞行器的再入飞行环境比较复杂，制导和控制系统模型也具有较强的非线性和耦合性，这给制导及控制律的设计带来了挑战。传统的飞行器制导与控制系统是将制导回路与控制回路分开进行设计，但这种设计方法无法确保制导和控制系统整体上的稳定性，从而给飞行过程带来隐患。.为了国家高超声速飞行器的研究发展，为了满足航空、航天事业对高性能飞行器的期望，本项目综合考虑了制导及控制系统之间存在的耦合性、不确定性及再入过程中所受扰动，将制导与控制系统视为一个统一的整体，在高超声速飞行器轨迹及姿态协同控制方面展开了前瞻性研究，研究内容主要包括：.1、一类具有不确定性和强非线性的MIMO系统鲁棒控制方法；.2、具有有限感知约束的鲁棒再入制导律设计方法；.3、再入制导与控制律一体化设计方法。.目前已完成全部研究内容，并取得了如下的研究成果：.1、将高超声速飞行器再入制导与控制全耦合模型提炼、抽象为一类具有不确定性和强非线性的MIMO系统，针对此类系统，利用小增益定理给出了一种结构简单且具有较好性能的鲁棒控制算法；.2、针对再入过程中阻力加速度的导数不易测量、飞行器所受不确定性及扰动较多的问题，利用高增益观测器和输入-状态稳定性理论设计了一种具有有限感知约束的鲁棒再入制导律设计方法，该方法在不确知阻力加速度导数的情况下可保证制导系统的稳定性，所提出的方法相比于已有结果弱化了关于不确定性的假设，削弱了制导律设计的保守性；.3、利用所提出的一类具有不确定性和强非线性的MIMO系统鲁棒控制方法，以可重复使用飞行器（RLV）的着陆过程为例，给出了一种制导与控制律一体化全耦合设计方法，在理论上确保了制导和控制系统整体上的稳定性，从而提高了飞行过程的可靠性。.本项目是从控制理论和方法的角度探索制导及控制系统设计的新体制、新方法，从而从根本上提高系统的整体性能，相关成果可为我国相关飞行器的研制提供重要技术储备。