考虑控制系统故障的重复使用运载器轨迹优化

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1、第４４卷第５期航空计算技术Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．５２０１４年９月ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＣｏｍｐｕｔｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅＳｅｐ．２０１４考虑控制系统故障的重复使用运载器轨迹优化王谦，李新国（西北工业大学航天学院陕西西安７１００７２）摘要：传统的重复使用运载器的制导系统与控制系统的设计是分开进行的。当运载器出现故障时，需要进行轨迹和控制的重构，故障下气动特性和配平能力的变化使得重构后的制导系统与控制系统难以良好匹配。考虑到控制系统对轨迹设计和优化的影响，通过将三自由度轨迹优化与多舵面控制分配结合，提出一种考虑控制舵面气动力和故障的重复使用运载器轨迹优化方法。

2、仿真结果表明，多舵面控制分配算法可以将运载器故障下的配平能力转化为轨迹优化的约束条件，从而避免了传统三自由度轨迹优化方法结果无法被控制系统跟踪的可能性，并为制导与控制一体化设计提供参考依据。关键词：重复使用运载器；轨迹优化；非线性规划；伪谱法中图分类号：Ｖ２１１文献标识码：Ａ文章编号：１６７１桘６５４Ｘ（２０１４）０５桘００６４桘０５TrajectoryOptimizationofReusableLaunchVehiclesConcerningControlSurfaceFailuresＷＡＮＧＱｉａｎ，ＬＩＸｉｎ桘ｇｕｏ（SchoolofAstronau

3、tics，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi′an７１００７２，China）Abstract：Ｇｕｉｄａｎｃｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｓｅｐａｒａｔｅｌｙｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｒｅｕｓａｂｌｅｌａｕｎｃｈｖｅｈｉｃｌｅ．Ｗｈｅｎｆａｉｌｕｒｅｓｏｃｃｕｒｏｎｔｈｅｒｅｕｓａｂｌｅｌａｕｎｃｈｖｅｈｉｃｌｅ，ｔｈｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｓｈｏｕｌｄｂｅｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ，ｂｕｔｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒａｎｄｔｒｉｍｍｉ

4、ｎｇａｂｉｌｉｔｙａｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍｔｈｅｎｏｒｍａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｉｔｒｅｓｕｌｔｔｈａｔｔｈｅｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄｇｕｉｄａｎｃｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｃａｎｎｏｔｍａｔｃｈｗｅｌｌ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｉｎ-ｔｅｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｉｓａｎａｌｙｚｅｄ，ｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇ３桘ＤＯＦｔｒａｊ-ｅｃｔｏｒｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌａｌｌｏｃａｔｉｏｎ，ａｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｏｐｔｉ

5、ｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｒｅｕｓａｂｌｅｌａｕｎｃｈｖｅｈｉｃｌｅｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏｎｔｒｏｌｓｕｒｆａｃｅｓｉｓｐｒｅｓｅｎｔ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｗｈｅｎｆａｉｌｕｒｅｓｏｃ-ｃｕｒ，ｔｈｅｔｒｉｍｍｉｎｇａｂｉｌｉｔｙｉｓｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄｔｏｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｂｙｃｏｎｔｒｏｌａｌｌｏｃａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙｔｈａｔｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｃａｎｎｏｔｔｒａｃｅｔｈｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｉｓａｖｏｉｄｅｄｕｎｄｅｒｆ

6、ａｉｌｕｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｏｐｔｉｍｉｚａ-ｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｐｒｏｖｉｄｅｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｇｕｉｄａｎｃｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｄｅｓｉｇｎｏｆｒｅｕｓａｂｌｅｌａｕｎｃｈｖｅｈｉｃｌｅ．Keywords：ｒｅｕｓａｂｌｅｌａｕｎｃｈｖｅｈｉｃｌｅ；ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ；ｐｓｅｕｄｏ桘ｓｐｅｃｔｒａｌｍｅｔｈｏｄ引言与控制系统设计中，较少考虑制导系统与控制系统之相对于传统的一次性使用运载器，重复使用运载间的耦合关系，所以现

7、有的研究也主要集中在提出快器可以有效降低发射费用、提高运输效率，是当前各国速准确的轨迹设计与优化方法，以及具有较强鲁棒性航天运载器研究和发展的热点。作为新一代天地往返和自适应能力的姿态控制算法两方面。Ｓｈａｆｆｅｒ等人研运输系统，重复使用运载器需要能够完成卫星发射、高究了Ｘ－３３重复使用运载器发生故障之后，在控制系空侦察以及全球快速打击等多种任务，并且能够快速［８］统性能下降的情况下进行轨迹重构的方法，该研究准备和发射，因此灵活以及高效的制导与控制技术就应用控制分配算法，预先计算出不同马赫数和攻角下［１－３］成为重复使用运载器技术的重要组成部分。的配平能力

8、以及配平各攻角需要的舵面偏转角度，并近年来，针对重复使用运载器的制