论文摘要：基于预测控制的可重复使用运载器自抗扰控制研究

可重复使用运载器（Reusable Launch Vehicle, RLV）再入段飞行具有高动态、飞行包络线较大与飞行环境恶劣等特点，存在系统参数大范围剧烈变化、具有严重不确定性、强耦合与复杂非线性等问题。针对RLV复杂的动力学特性和恶劣的飞行环境，强自适应飞行控制技术是可重复使用运载器安全返回，实现重复使用的关键。本文以预测控制技术和自抗扰控制结构为基础，针对RLV再入飞行的特点，进行了以下研究：

定义了相关坐标系及变量，建立了RLV再入段完整非线性六自由度运动学和动力学模型，并且考虑控制器设计需要，分析模型特点，建立了面向控制器设计的仿射非线性模型。并根据气动数据，建立了气动参数模型，结合RLV再入段飞行特性和近空间飞行环境模型，简要分析归纳了再入飞行过程中的不确定性来源。

传统PID控制器具有不需控制对象模型，分析，设计与实现方法简单，鲁棒性相对较强等特点。但在航空航天技术中，实际飞行环境更为复杂。往往在控制过程中，控制对象多为高超声速飞行器，对象模型参数，结构都会发生变化。而PID参数固定不变，难以适应干扰，甚至在参数变化超过一定范围时无法达到控制要求。因此本文考虑使用近年来逐渐成熟并被广泛应用于过程控制中的预测控制技术构造姿态控制器。传统预测控制具有在线滚动优化等特点，对于精确控制对象有很强的处理能力，但针对快变非线性对象时需要较长在线处理时间，快速性较差。考虑到RLV再入飞行姿态变化快，不确定性大的问题，本文对传统广义预测控制进行优化改进，使之能够发挥预测控制器保证控制准确性的优点，同时提高系统快速性和自适应能力。基于该思路，本文研究了隐式广义自校正预测控制方法，该方法通过改变传统显式在线计算需要多次求解Diophantine方程的繁琐步骤，利用并列预测器间联系，直接辨识最远输出端预测表达式参数，并基于广义预测控制与动态矩阵控制律的等价性计算最优控制律参数，延续了原有广义预测控制强鲁棒性，改进了计算的快速性。

在RLV再入段飞行中，实际存在着由外部扰动和部分内部不确定性所带来的系统误差，靠单一预测控制器得到的控制效果差强人意。本文结合RLV再入飞行模型，通过分析系统状态变量间的动态关系，分别采用基于滑模干扰观测器的补偿控制结构与基于非线性扩张状态干扰观测器的补偿控制结构，与预测控制器相结合，设计了两套基于时标分离原理的内外环控制器，对存在扰动的控制对象得到了较好的控制效果。

在理论完备的基础上，针对本文的设计方案，对RLV非线性对象进行了再入飞行工作点数值仿真与全程数值仿真，仿真重点为再入段姿态控制中，纵向通道的攻角指令跟踪，证实了方法可行性与有效性。

论文最后对全文内容进行了总结与展望。

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