运载器末助推段非线性姿态控制器设计.pdf

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1、上海航天第28卷2011年第4期AER0SPACESHANGHAI文章编号：1006-1630(2011)04-0007—05运载器末助推段非线性姿态控制器设计孙平，刘昆(国防科学技术大学航天与材料工程学院，湖南长沙410073)摘要：根据单摆模型近似晃动质量推导晃动运动与姿态运动的动力学方程，基于状态相关黎卡提方程方法，综合动态逆控制方法设计了运载器末助推段非线性姿态控制器，由状态反馈实现姿态跟踪和晃动抑制。因实际中模拟晃动运动的单摆状态无法测量，引入输出多采样率技术，通过在一个采样周期内多次检测被控对象的输出估计状态，实现设计的状态反馈控制律。数值仿真结果表明：控制器能实现高精度姿态

2、角跟踪和晃动抑制。关键词：运载器末助推段；推进剂晃动；状态相关黎卡提方程；快速输出采样；非线性姿态控制器；姿态角跟踪；晃动抑制中国分类号：V448．22文献标志码：AModelingandNonlinearControlofLauncherwithFuelSloshinFinalStageSUNPing，LIUKun(CollegeofAerospaceandMaterialEngineering，NUDT，Changsha410073，Hunan，China)Abstract：Accordingtoapendulumanalogymodelofspacecraftwithfuelslo

3、shdynamicsandnonlinearcontrolforsuchamodel，thedynamicinversionmethodwasadoptedtodesignthestatefeedbackcontrollerofthelauncherbasedonthestatedependentRiccatiequationinthispaper，inwhichtheattitudetrackingandfue1sloshsuppresswererealizedbythestatefeedback．Asafictionstate，thependulummovementcouldnotb

4、eobserved，amethodusingafastoutputsamplingstrategywasaddedtothecontrollerwhilethestateoutputofthecontrollingobiectwasinspectedmanytimesinonesamplingperiod．TheproposedcontrolmethodologywaspracticalandeasytOimplement．Thenumericalsimulationresultsshowedthattheattitudeangletrackingandfuelsloshsuppress

5、ingwouldberealizedbythedesignedcontrollerwithhighaccuracy．Keywords：Finalstageoflauncher；Propellantsloshing；StatedependentRiccatiequation；Fastoutputsampling；Nonlinearattitudecontroller；Attitudeangletracking；Propellantsloshsuppressing0引言运动(晃动)[2]。推进剂晃动与飞行器姿态运动通过某小型固体运载器采用四级结构设计方案，前惯性力的相互作用直接耦合，该耦合作

6、用对飞行器三级由固体发动机提供推力，第四级为液体推进上姿态运动的稳定性和控制系统设计产生直接面级模块，它完成飞行中各级的姿态控制任务及末影响引。为了解和掌握推进剂晃动规律，国内外对液体助推变轨推进，使飞行器进入椭圆过渡轨道，同时进行组合制导，对主动段制导误差、关机延时量随机偏晃动作了大量试验和理论研究，通过假设液体为不差及发动机后效偏差进行精确修正口]。在末助推飞可压缩和无旋，建立了描述液体晃动的等效力学模行阶段，因前面各级姿控的消耗，推进剂贮箱不再被型。其中广泛应用的有单摆和等效弹簧一质量两种模型[4]。姿态控制系统设计中，对晃动不稳定问题液体填满，此时飞行器的运动将引起剩余推进剂的常

7、采用被动控制与主动控制两种策略，前者即在贮箱内设置防晃障板，提高晃动阻尼或改变贮箱结构，收稿日期：2009-07-14；修回日期：2009-09-03提高晃动频率；后者则通过改进控制器设计实现对作者简介：孙平(198O一)，女，博士生，主要研究方向为航天器动力学与控制晃动不稳定的抑制，如文献Es-1通过限制控制器在晃上海航天AERoSPACESHANGHAI第28卷2011年第4期动频段的幅频特性，增大控制器在晃动频段的相位n=Z(