基于滑模控制的末端能量管理方法
马先龙,周 军
(西北工业大学航天学院,陕西西安710072)
摘 要:简要介绍了末端能量管理的研究情况,然后对末端能量管理段进行轨迹规划。在轨迹规划的基础上,设计基于滑模变结构控制的制导律,对轨迹进行跟踪,对能量进行管理。仿真结果表明,滑模变结构控制在末端能量管理制导中合理、有效,具有很强的鲁棒性。
关 键 词:可重复使用运载器;末端能量管理;轨迹规划;滑模控制
中图分类号:V448•2 文献标识码:A 文章编号:1002-0853(2007)03-0030-04
引言
可重复使用运载器(RLV)末端能量管理段(TAEM)处于再入段之后,着陆飞行段之前,对于RLV是否能够安全着陆有着重要的意义[1]。
飞行器做无动力滑行,是末端能量管理段飞行最重要的特性。这一飞行段存在的目的是使飞行器的速度和高度满足自动着陆条件,同时能够对准跑道。无动力滑行的特性决定了这个过程是一次性的,飞行器没有足够的能量进行第二次对准着陆。
同时,滑行过程中存在各种随机干扰源,例如初始的能量偏差(动能和势能)、大气密度偏差、风、飞行器升力与阻力系数偏差、重量偏差(含质量与重力加速度偏差)、制导导航与控制系统的模型误差及噪声等,使得飞行器不能按理想轨迹飞行。因此必须对飞行轨迹进行制导和控制,设计性能优良的制导与控制规律及其实现控制律的硬件系统。
末端能量管理的研究经历了几十年,取得了很多成果,并且在航天飞机上得到成功的应用[1]。但是随着第二代RLV的出现,要求飞行器具有更高的安全性、可靠性,并且要降低使用成本。因此对末端能量管理也有了更高的要求,提高飞行器的安全性和可靠性,使RLV在任何情况下都能够安全地返回到可进行修复的地方[2]。
国外相应的研究早已展开,提出的方法有利用双重神经网络选择最优轨迹的基于自适应神经网络TAEM制导方法[3]、可以处理轨迹限制的基于模糊控制的TAEM制导方法[4],以及利用几何参数对轨迹进行规划,然后根据当前状态选择最优轨迹的TAEM制导方法[5]。对于滑模控制在末端能量管理中的应用,主要集中在姿态控制的研究上[6, 7]。国内研究主要集中在对TAEM概念的探讨和国外方法的跟踪上面[8]。本文在利用参数进行轨迹规划的基础上,利用滑模思想设计纵向和横向通路的跟踪方法,对高度剖面和地面轨迹进行跟踪,提高制导系统的鲁棒性。
1 滑模制导方法设计
滑模制导方法在导弹上已经应用并且取得了一定的成果[9],说明滑模控制可以应用于制导中。本文针对升力体RLV,利用滑模思想设计制导方法。
1•1 数学模型
把RLV看作质点,则其运动学模型为[5]:
为了在线计算,用以下模型进行气动力的估算,
从仿真曲线中可以看出,终端的位置以及姿态满足要求,并且整个过程中控制量的变化在限制范围之内,说明给出的姿态指令是合理的,可以通过姿态控制系统实现需要的控制量。
3 结束语
本文设计了基于滑模变结构控制的末端能量管理方法。利用滑模变结构设计制导律,设计方法简单,利用公式直接得出制导指令,滑模设计可以充分考虑控制量的限制,比一般方法显示出了更强的鲁棒性以及对状态偏差和干扰的适应性和自主性。
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