基于扰动观测器的指数时变滑模再入姿态控制

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1、2013年8月中国空间科学技术31箜!塑篁垒!呈竺!竺量呈皇竺!量!!竺呈!!皇塞垒!!竺垒呈皇!皇曼圣基于扰动观测器的指数时变滑模再人姿态控制王亮1’2刘向东1’2盛永智1’2丛炳龙1‘2(1北京理工大学自动化学院，北京100081)(2北京理工大学复杂系统智能控制与决策重点实验室，北京100081)摘要针对再入飞行器姿态控制问题，设计了一种全局鲁棒的基于扰动观测器的指数时变滑模姿态控制器，使得在存在匹配模型参数不确定性和外部扰动情况下仍能够实现精确的姿态控制。首先对飞行器模型进行反馈线性化解耦，将俯仰、滚转、偏航通道分解为3个独立的二阶系统。然后以俯仰通道为例，设计指数时变

2、滑模控制器，使得系统具有全局鲁棒性。进一步，为了减小采用饱和函数消除滑模控制抖振而带来的系统跟踪误差，引入扰动观测器，设计了一种基于扰动观测器的指数时变滑模控制系统。最后，以某飞行器为例建立六自由度仿真模型，在考虑大气密度、转动惯量偏差以及外部高频扰动的情况下，验证了加入扰动观测器后对系统性能的提高。关键词指数时变滑模扰动观测器姿态控制鲁棒性再入飞行器DOI：10．3780／]．issn．1000—758X．2013．04．0051引言对于再入飞行器来讲，再入过程要经历大空域、大速域飞行，通道间耦合非常严重。另外，由于飞行器的气动特性无法精确获知以及各种外部干扰的存在，使得再入

3、飞行器的姿态控制问题变得十分复杂[1]。滑模变结构具有对系统存在的匹配参数不确定性以及扰动不敏感的特点[2j，已广泛应用于再入飞行器控制中口。6j。文献[3—4]根据奇异摄动思想将飞行器姿态控制系统分为快、慢回路，然后分别设计滑模控制器，文献1-4]中还对直接力／气动力复合控制问题进行了考虑；文献[5]利用滑模观测器和二阶滑模控制方法，针对快、慢回路分别设计了两种连续滑模控制律。文献[6]针对再入飞行器姿态控制，在反馈线性化基础上，设计了基于滑模观测器的滑模控制器。然而，上述文献[3—6]中的滑模控制方法，存在明显的到达段。滑模控制的鲁棒性仅存在于其滑动段，在到达段并不具有鲁棒

4、性。为了缩短甚至消除到达阶段，学者们提出了积分滑模¨o和时变滑模方法18-9J，使得系统状态从初始时刻就处于滑模面上，有效地保证了全局鲁棒性。文献[10]将积分滑模应用于高超声速飞行器滚动通道的控制中，得到一种全局鲁棒的姿态控制律。另一方面，抖振现象作为滑模控制固有特点，当采用积分或者时变滑模后，抖振问题从一开始就存在(普通滑模控制仅在滑动段出现抖振)，为了解决这个问题，可以考虑用饱和函数法¨11。然而，采用这种消抖方法后会带来控制精度降低的问题。在考虑了飞行器再入过程中可能存在的参数不确定性以及外部扰动情况下，针对冉入飞行器的姿态控制问题，本文将指数时变滑模控制(Expone

5、ntialTime—VaryingSlidingModeControl，ETVSMC)国家自然科学基金(61104153)．高等学校博士学科点专项科研基金(20091101110025)资助项日收稿日期：2012-0911。收修改稿日期：2012—1206i；生垦奎囹型堂垫查!!!i笙!旦与扰动观测器结合，设计了一种强鲁棒的基于扰动观测器的指数时变滑模姿态控制器(DisturbanceObserverbasedExponentialTime-VaryingSlidingModeControl，DOETVSMC)，有效地提高了系统的控制精度。2问题描述2．1再入飞行器模型介绍本文

6、采用文献E12-1描述的再入飞行器模型，再人时仅考虑用气动舵面来提供操纵力和操纵力矩。建立其面向控制的模型时考虑如下假设n3

7、：1)忽略地球自转角速度，由于其相比于飞行器的旋转运动慢得多；2)忽略飞行器的位移运动在旋转运动方程中的作用，这是由于飞行器的旋转运动比位移运动快得多；3)再入过程中采用倾斜转弯方式(bank—to—turn，BTT)控制，侧滑角维持在零值附近，sin卢≈tanp≈0，COS卢≈I。得到简化后的姿态运动方程为0一叫：，扫一---60：sin口+甜yCOSa，五foxCOS口一c￡，，sin口。。一争帆+争鸣一垃坠{堪∞触一生垫字掣cu舭。，一每地+争坞一

8、生堕与学∞⋯+生盟≠掣cU灿珏净：一毕xCIJy--冬c一2国式中a、卢、卢分别为攻角，侧滑角和倾侧角；∽、叫，、叫：分别为滚转、偏航和俯仰角速度；J。、I⋯J。、f。，分别为关于z、Y、z轴的转动惯量和惯量积(这里，假设飞行器是关于x-O—y平面对称，故J。一J。一o)j’一J。f。一J‰；M。、My、M。分别为机体坐标系下的气动力矩。其中，气动力矩的计算公式为u钳M。=秘lC。。(口，口，Ma，艿。，乱，艿，)，i—z，Y，z(2)式中a—o．5pV2为动压，ID为大气密度，V为飞行器飞