VTHL运载器再入返回预设时间滑模控制

doi:10.7527/S1000-6893.2022.26857

电子电气工程与控制

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VTHL运载器再入返回预设时间滑模控制

徐世昊, 关英姿, 浦甲伦(), 韦常柱

哈尔滨工业大学航天工程系，哈尔滨 150001

收稿日期:2021-12-23 修回日期:2022-01-26 接受日期:2022-03-02 出版日期:2023-04-15 发布日期:2022-03-11
通讯作者: 浦甲伦 E-mail:pujialun@126.com
基金资助:
省部级项目

Predefined-time sliding mode control for VTHL launch vehicle in reentry phase

Shihao XU, Yingzi GUAN, Jialun PU(), Changzhu WEI

Department of Astronautics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China

Received:2021-12-23 Revised:2022-01-26 Accepted:2022-03-02 Online:2023-04-15 Published:2022-03-11
Contact: Jialun PU E-mail:pujialun@126.com
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摘要/Abstract

摘要：

针对模型参数不确定和存在外部干扰的垂直起飞水平着陆（VTHL）可重复使用运载器再入返回姿态跟踪控制问题，提出一种新型预设时间滑模控制方法，使姿态控制误差收敛时间上界与再入初始状态无关且可预先设定。首先基于反正切函数设计预设时间非奇异滑模面，状态量在滑模面可在预设时间内收敛；其次预设时间滑模控制律，引入正弦补偿函数避免控制量出现奇异，以保证滑动模态在预设时间内到达；为提高控制系统鲁棒性并减弱抖振，采用预设时间扩张状态观测器对扰动进行估计和补偿；最后基于Lyapunov理论，证明了控制律可使姿态控制误差在预设时间内收敛；通过数值仿真验证了所提方法的有效性。

关键词: 垂直起飞水平着陆（VTHL）运载器, 再入返回, 预设时间控制, 滑模控制, 扩张状态观测器

Abstract:

A novel predefined-time attitude control method for VTHL reusable launch vehicle is proposed in the presence of parameter uncertainties and disturbances in the reentry phase. The attitude errors of the VTHL reusable vehicle can be stabilized to zero in a predefined time which is independent of any initial condition. Firstly，a novel nonsingular predefined-time sliding mode surface is proposed based on the inverse tangent function，on which the states converge to the origin in predefined time. Subsequently，a predefined-time sliding mode controller is designed to ensure that the sliding mode arrives in predefined-time. The sinusoidal compensation function is introduced to avoid singularity of the controller. Moreover，with the usage of the predefined-time extended state observer，the robustness of the control system is enhanced，and the chattering phenomenon is alleviated. Finally，the predefined-time convergence of the attitude tracking errors is analyzed by the Lyapunov method. Various numerical simulation results are carried out，demonstrating the effectiveness of the proposed control scheme.

Key words: Vertical Takeoff and Horizontal Landing(VTHL) launch vehicle, reentry phase, predefined-time control, sliding mode control, extended state observer

中图分类号:

V448.1

徐世昊, 关英姿, 浦甲伦, 韦常柱. VTHL运载器再入返回预设时间滑模控制[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 326857-326857.

Shihao XU, Yingzi GUAN, Jialun PU, Changzhu WEI. Predefined-time sliding mode control for VTHL launch vehicle in reentry phase[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(7): 326857-326857.

图/表 14

图 1

表1

PTSMC参数值

组成项	参数取值
扩张状态观测器	$l 1 = l 2 = l 3 = 0.01$ ， $v = 0.05$ ， $T E = 1$ s， $L = 0.1$ ， $k 3 = 1.01, k 2 = 5.33, k 1 = 3.35$
滑模面	$γ 1 = 19, γ 2 = 21, κ = 0.9$
控制律	$p = 0.7, α ¯ = 0.8, β ¯ = 1.2, ι = 0.0001, k = 3, η = d i a g 0.001,0.001,0.001$

表1

表 2

图 2

图 3

图 4

表3

FTSMC与FxTSMC参数值

控制方法	参数值
FTSMC	$λ ⌢ 1 = 3, λ ⌢ 2 = 2, r ⌢ = 7 / 9, ε ⌢ = 0.001, μ ⌢ 1 = 1.1, μ ⌢ 2 = 0.8, γ ⌢ = 10, α ⌢ 0 = 15, v ⌢ = 0.1, δ ⌢ = 1$
FxTSMC	$η ⌣ = 0.75, b ⌣ = 1.05, α ⌣ 1 = 0.8, β ⌣ 1 = 1.2, ϒ ⌣ = 2, T ⌣ u = 0.1, λ ⌣ 1 = λ ⌣ 2 = 3, v ⌣ 1 = 1.2, v ⌣ 2 = 0.8, χ ⌣ 1 = χ ⌣ 2 = 2, γ ⌣ 1 = 1.8, γ ⌣ 2 = 0.7$

表3

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

参考文献 32

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