垂直起降可重复使用运载火箭全剖面飞行预设性能控制

doi:10.7527/S1000-6893.2022.28103

可重复使用运载火箭技术专栏

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垂直起降可重复使用运载火箭全剖面飞行预设性能控制

张亮¹(), 李丹钰¹, 崔乃刚², 李源³

^1.中山大学航空航天学院，深圳　518107
^2.哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨　150001
^3.南京理工大学能源与动力工程学院，南京　210000

收稿日期:2022-10-11 修回日期:2022-11-25 接受日期:2023-02-10 出版日期:2023-12-15 发布日期:2023-02-26
通讯作者: 张亮 E-mail:zhangliang8@mail.sysu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(12002398)

Full flight profile prescribed performance control for vertical take-off and vertical landing reusable launch vehicle

Liang ZHANG¹(), Danyu LI¹, Naigang CUI², Yuan LI³

^1.School of Aeronautics and Astronautics，Sun Yat-Sen University，Shenzhen 　518107，China
^2.School of Astronautics，Harbin Institute of Technology，Harbin 　150001，China
^3.School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 　210000，China

Received:2022-10-11 Revised:2022-11-25 Accepted:2023-02-10 Online:2023-12-15 Published:2023-02-26
Contact: Liang ZHANG E-mail:zhangliang8@mail.sysu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12002398)

摘要/Abstract

摘要：

针对垂直起降可重复使用运载火箭在多异类执行机构作用下的全剖面飞行高精度强鲁棒姿态控制系统设计需求，提出了预设性能控制方法，采用一套控制结构和控制参数，可实现火箭的全剖面飞行控制。首先，建立了垂直起降可重复使用运载火箭的7个飞行阶段动力学模型，同时为减少制导指令切换产生的突变，设计了二阶系统参考模型，并基于参考模型推导了姿态跟踪误差状态方程。其次，设计了一种新型的具有指定收敛时间特性的预设性能函数，并推导了新的误差变量，建立了控制模型。然后，基于新的误差变量推导了具有预定时间收敛特性的姿态控制律，并证明了其稳定性。最后，为进一步提高鲁棒性，引入自抗扰控制中的扩张状态观测器理念，对新误差变量的二阶导数和外界扰动进行估计，从而降低了控制器的复杂度，提高了控制精度。通过与比例微分（PD）控制器、自抗扰滑模控制器和其他预设性能控制器进行仿真比较，表明所提出的方法具有参数少、调参简单、精度高和鲁棒性强等优点。

关键词: 垂直起降火箭, 预设性能控制, 预定时间收敛, 扩张状态观测器, 飞行控制

Abstract:

To solve the problem of high-precision and robust attitude control system design for vertical takeoff and vertical landing reusable vehicle in full flight profile under the action of multiple heterogeneous actuators， a prescribed performance control method is proposed. A set of control structure and control parameters are adopted to realize the full flight profile control of the vehicle. Firstly， the dynamics model of the vehicle in seven flight stages is established. To reduce the mutation caused by guidance command switching， a second-order reference model is designed， and the state equation of attitude tracking error is derived based on the reference model. Secondly， a novel prescribed performance function with appointed convergence time is designed. The new error variables are derived， and the control model is also established. Then， based on the new error variables， the attitude control law with predefined time convergence characteristics is derived and its stability is proved. Finally， to further improve the robustness， an extended state observer is introduced to estimate the second derivative of the new error variable and the external disturbance， so as to reduce the complexity of the controller and improve the control accuracy. Simulation results show that compared with the Proportional Differential （PD） controller， active disturbance rejection sliding mode controller and other prescribed performance controller， the proposed method has the advantages of fewer parameters， simpler parameter tuning， higher precision and stronger robustness.

Key words: vertical take-off and vertical landing vehicle, prescribed performance control, predefined time convergence, extended state observer, flight control

中图分类号:

V249.1

张亮, 李丹钰, 崔乃刚, 李源. 垂直起降可重复使用运载火箭全剖面飞行预设性能控制[J]. 航空学报, 2023, 44(23): 628103-628103.

Liang ZHANG, Danyu LI, Naigang CUI, Yuan LI. Full flight profile prescribed performance control for vertical take-off and vertical landing reusable launch vehicle[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(23): 628103-628103.

图/表 22

图1

图2

图3

图4

表 1

表 2

表 3

自抗扰滑模控制器参数

序号	$a 1$	$a 2$	$a 3$	$β 1 i$	$β 2 i$	$β 01$	$β 02$	$K 1$	$E 1$
1	0.4	0.4	0.4	0.2	0.8	100	200	2.8	0.9
2	0.4	0.4	0.4	0.1	0.2	10	20	0.2	0.05
3	0.4	0.4	0.4	0.1	0.2	100	200	0.8	0.4
4	0.4	0.4	0.4	0.1	0.2	10	20	0.2	0.05
5	0.4	0.4	0.4	0.1	0.2	100	200	0.8	0.4
6	0.4	0.4	0.4	1.0	0.8	100	200	2.8	1.8
7	0.4	0.4	0.4	0.4	0.8	100	200	1.8	0.8

表 3

表 4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

图14

图15

图16

图17

图18

参考文献 33

1	崔乃刚，吴荣，韦常柱，等. 火箭垂直返回双幂次固定时间收敛滑模控制方法［J］. 哈尔滨工业大学学报， 2020， 52（4）： 15-24.
	CUI N G， WU R， WEI C Z， et al. Double-order power fixed-time convergence sliding mode control method for launch vehicle vertical returning［J］. Journal of Harbin Institute of Technology， 2020， 52（4）： 15-24 （in Chinese）.
2	崔乃刚，吴荣，韦常柱，等. 垂直起降可重复使用运载器发展现状与关键技术分析［J］. 宇航总体技术， 2018， 2（2）： 27-42.
	CUI N G， WU R， WEI C Z， et al. Development and key technologies of vertical takeoff vertical landing reusable launch vehicle［J］. Astronautical Systems Engineering Technology， 2018， 2（2）： 27-42 （in Chinese）.
3	徐大富，张哲，吴克，等. 垂直起降重复使用运载火箭发展趋势与关键技术研究进展［J］. 科学通报， 2016， 61（32）： 3453-3463.
	XU D F， ZHANG Z， WU K， et al. Recent progress on development trend and key technologies of vertical take-off vertical landing reusable launch vehicle［J］. Chinese Science Bulletin， 2016， 61（32）： 3453-3463 （in Chinese）.
4	BOSKOVIC J D， JACKSON J A， MEHRA R K， et al. Adaptive fault tolerant control design for a model of DC-X dynamics［C］∥ 2008 American Control Conference. Piscataway： IEEE Press， 2008： 1046-1051.
5	张亮，黄盘兴，徐大富，等. 垂直起降火箭垂直返回段自适应容错控制算法［J］. 战术导弹技术， 2015（2）： 63-69.
	ZHANG L， HUANG P X， XU D F， et al. VTVL rocket fault-tolerant control for its return trajectory［J］. Tactical Missile Technology， 2015（2）： 63-69 （in Chinese）.
6	WANG F， HUA C C， ZONG Q. Attitude control of reusable launch vehicle in reentry phase with input constraint via robust adaptive backstepping control［J］. International Journal of Adaptive Control and Signal Processing， 2015， 29（10）： 1308-1327.
7	崔乃刚，张亮，韦常柱，等. 可重复使用运载器大姿态机动自抗扰控制［J］. 中国惯性技术学报， 2017， 25（3）： 387-394.
	CUI N G， ZHANG L， WEI C Z， et al. Active disturbance rejection control for reusable launch vehicle with large attitude maneuver［J］. Journal of Chinese Inertial Technology， 2017， 25（3）： 387-394 （in Chinese）.
8	陈佳晔，王紫扬，陈益，等. 基于迭代学习干扰观测器的RLV容错控制方法［J］. 中国惯性技术学报， 2021， 29（6）： 832-840.
	CHEN J Y， WANG Z Y， CHEN Y， et al. RLV fault-tolerant control method based on iterative learning disturbance observer［J］. Journal of Chinese Inertial Technology， 2021， 29（6）： 832-840 （in Chinese）.
9	刘航. 运载火箭第一级回收控制研究［D］. 西安：西安电子科技大学， 2020.
	LIU H. Research on the first stage recovery control of launch vehicle［D］. Xi’an： Xidian University， 2020 （in Chinese）.
10	VIGNESH S A， APM I H， VP A K， et al. Trajectory planning and soft landing of RLV using non-linear model predictive control［C］∥ 2021 Seventh Indian Control Conference. Piscataway： IEEE Press， 2021： 87-92.
11	XING G Q， PARVEZ S A. Nonlinear attitude state tracking control for spacecraft［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2001， 24（3）： 624-626.
12	PEI J， PUETZ A， DUARTE C， et al. Suppression of nonlinear rotary slosh dynamics using the SLS adaptive augmenting control system demonstration on a quadcopter testbed： AIAA-2019-0114［R］. Reston： AIAA， 2019.
13	SHTESSEL Y B， HALL C E， BAEV S， et al. Flexible modes control using sliding mode observers： Application to Ares I： AIAA-2010-7565［R］. Reston： AIAA， 2010.
14	钱默抒，熊克，王海洋. 重复使用运载火箭精确回收滑模动态面控制［J］. 宇航学报， 2018， 39（8）： 879-888.
	QIAN M S， XIONG K， WANG H Y. Sliding mode dynamic surface control in precise recovery phase for reusable launch vehicle［J］. Journal of Astronautics， 2018， 39（8）： 879-888 （in Chinese）.
15	李晓栋，廖宇新，廖俊，等. 可重复使用运载火箭一子级垂直回收有限时间滑模控制［J］. 中南大学学报（自然科学版）， 2020， 51（4）： 979-988.
	LI X D， LIAO Y X， LIAO J， et al. Finite-time sliding mode control for vertical recovery of the first-stage of reusable rocket［J］. Journal of Central South University （Science and Technology）， 2020， 51（4）： 979-988 （in Chinese）.
16	李晓栋，廖宇新，李珺. 基于MFTESO的可重复使用运载火箭多变量有限时间控制方法［J］. 控制与信息技术， 2019（4）： 12-17.
	LI X D， LIAO Y X， LI J. MFTESO based multivariable finite-time control for reusable rocket［J］. Control and Information Technology， 2019（4）： 12-17 （in Chinese）.
17	杨少波. 垂直起降火箭末段定点着陆的制导控制方法研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2020.
	YANG S B. Research on guidance and control method of fixed point landing of vertical takeoff vertical landing rocket in the last stage［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2020 （in Chinese）.
18	JU X Z， WEI C Z， ZHANG L， et al. Semi-globally smooth control for VTVL reusable launch vehicle under actuator faults and attitude constraints［J］. Acta Astronautica， 2022， 191： 528-546.
19	ZHANG L， WEI C Z， WU R， et al. Fixed-time extended state observer based non-singular fast terminal sliding mode control for a VTVL reusable launch vehicle［J］. Aerospace Science and Technology， 2018， 82/83： 70-79.
20	ZHANG L， WEI C Z， WU R， et al. Adaptive fault-tolerant control for a VTVL reusable launch vehicle［J］. Acta Astronautica， 2019， 159： 362-370.
21	JU X Z， WEI C Z， XU H C， et al. Fractional-order sliding mode control with a predefined-time observer for VTVL reusable launch vehicles under actuator faults and saturation constraints［J］. ISA Transactions， 2022， 129： 55-72.
22	ZHANG L， JING L， YE L H， et al. Predefined-time control for a horizontal takeoff and horizontal landing reusable launch vehicle［J］. Aircraft Engineering and Aerospace Technology， 2021， 93（6）： 957-970.
23	宋征宇，蔡巧言，韩鹏鑫，等. 重复使用运载器制导与控制技术综述［J］. 航空学报， 2021， 42（11）： 525050.
	SONG Z Y， CAI Q Y， HAN P X， et al. Review of guidance and control technologies for reusable launch vehicles［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（11）： 525050 （in Chinese）.
24	韦常柱，琚啸哲，徐大富，等. 垂直起降重复使用运载器返回制导与控制［J］. 航空学报， 2019， 40（7）： 322782.
	WEI C Z， JU X Z， XU D F， et al. Guidance and control for return process of vertical takeoff vertical landing reusable launching vehicle［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2019， 40（7）： 322782 （in Chinese）.
25	WU R， WEI C Z， YANG F， et al. FxTDO-based non-singular terminal sliding mode control for second-order uncertain systems［J］. IET Control Theory & Applications， 2018， 12（18）： 2459-2467.
26	ZHANG L， JU X Z， CUI N G. Ascent control of heavy-lift launch vehicle with guaranteed predefined performance［J］. Aerospace Science and Technology， 2021， 110： 106511.
27	SÁNCHEZ-TORRES J D， DEFOORT M， MUÑOZ-VÁZQUEZ A J. Predefined-time stabilisation of a class of nonholonomic systems［J］. International Journal of Control， 2020， 93（12）： 2941-2948.
28	JIMÉNEZ-RODRÍGUEZ E， MUÑOZ-VÁZQUEZ A J， SÁNCHEZ-TORRES J D， et al. A Lyapunov-like characterization of predefined-time stability［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2020， 65（11）： 4922-4927.
29	MUÑOZ-VÁZQUEZ A J， SÁNCHEZ-TORRES J D， JIMÉNEZ-RODRÍGUEZ E， et al. Predefined-time robust stabilization of robotic manipulators［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2019， 24（3）： 1033-1040.
30	ZHANG C， MA G F， SUN Y C， et al. Observer-based prescribed performance attitude control for flexible spacecraft with actuator saturation［J］. ISA Transactions， 2019， 89： 84-95.
31	XU B J， JI S， ZHANG C R， et al. Linear-extended-state-observer-based prescribed performance control for trajectory tracking of a robotic manipulator［J］. Industrial Robot， 2021， 48（4）： 544-555.
32	ZHANG L， WU R， WEI C Z， et al. Quaternion-based reusable launch vehicle composite attitude control via active disturbance rejection control and sliding mode approach： AIAA-2017-2320［R］. Reston： AIAA， 2017.
33	李杨，刘昶，王吉飞，等. 垂直起降运载火箭总体方案研究［J］. 南京航空航天大学学报， 2019， 51（S1）： 1-6.
	LI Y， LIU C， WANG J F， et al. General design study of vertical takeoff and landing launch vehicle［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， 2019， 51（S1）： 1-6 （in Chinese）.

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序号	飞行段	制导方案	关机方式
1	主动段	摄动制导	30 s开始，按关机方程
2	姿态调整段	程序角制导	飞行130 s
3	修航段	轨迹跟踪制导	按速度关机
4	高空无动力下降段	程序角制导	高度<52.65 km
5	动力减速下降段	摄动制导	按关机方程
6	大气层内飞行段	滑模制导^［25］	距地面800 m关机
7	垂直着陆段	四次多项式制导	速度<1 m/s或高度<2 m

时间	俯仰/偏航K_P	俯仰/偏航K_D	滚转K_P	滚转K_D
2 s	1.5	0.8	0.4	0.2
16 s	1.5	0.8	0.4	0.2
30 s	1.6	1.2	0.5	0.3
50 s	1.8	1.4	0.6	0.4
90 s	1.8	1.4	0.6	0.4
120 s	1.8	1.4	0.6	0.4
145 s	1.8	1.4	0.6	0.4
第2段	-8.892 7×10⁵	-4.099 1×10⁵	-2.051×10⁴	-1.151×10⁴
第3段	1.5	0.8	-2.051×10⁴	-1.151×10⁴
第4段	-8.892 7×10⁵	-4.099 1×10⁵	-2.051×10⁴	-1.151×10⁴
第5段	1.8	1.2	-2.051×10⁴	-1.151×10⁴
第6段	9.0	4.8	1.5	0.5
第7段	10.8	8.2	-2.051×10⁴	-1.151×10⁴

偏差项	数值
质量偏差/kg	500
气动参数偏差/%	20
大气密度偏差/%	20
秒耗量偏差/%	3
比冲偏差/%	3
转动惯量偏差/%	20
质心偏差/mm	50
风干扰	平稳风和切变风都存在

[1]	赵旭, 齐国元, 蔚昕晨, 胡建兵, 李霞. 补偿函数观测器及其在飞行器姿态控制中的应用[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 327224-327224.
[2]	李政, 于剑桥, 赵新运. 空空导弹敏捷转弯固定时间收敛滑模控制[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 327262-327262.
[3]	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.
[4]	张新昱, 谢思宇, 陶洋, 李滚. 面向无人机空中加油紧密编队的鲁棒控制方法[J]. 航空学报, 2023, 44(20): 628425-628425.
[5]	孟晓, 马丹, 林宏军, 陈超. 航空发动机燃烧室热声不稳定的预设性能控制[J]. 航空学报, 2023, 44(17): 128182-128182.
[6]	李昊键, 刘远贺, 梁彦刚, 黎克波. 考虑视场角约束的碰撞角控制预设性能制导律[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 528764-528764.
[7]	胡伟, 万文章, 陈谋. 基于神经网络和干扰观测器的UAV自动着舰控制[J]. 航空学报, 2022, 43(S1): 726963-726963.
[8]	刘畅, 蒋永平, 马春燕, 张涛. 基于NuSMV的AADL模型形式化验证技术[J]. 航空学报, 2022, 43(3): 325196-325196.
[9]	李宁, 刘志勇, 王娜, 杨垒. 基于DUEA的天线伺服控制系统仿真[J]. 航空学报, 2022, 43(2): 324986-324986.
[10]	李霞, 齐国元, 郭曦彤, 赵旭. 高阶微分反馈控制及在四旋翼飞行器中的应用[J]. 航空学报, 2022, 43(12): 326047-326047.
[11]	张志冰, 张秀林, 王家兴, 史静平. 一种基于多操纵面控制分配的IDLC人工着舰精确控制方法[J]. 航空学报, 2021, 42(8): 525840-525840.
[12]	雷鹏轩, 余立, 陈德华, 吕彬彬. 飞行控制律对体自由度颤振特性影响试验[J]. 航空学报, 2021, 42(6): 124378-124378.
[13]	黄旭, 柳嘉润, 贾晨辉, 王昭磊, 张隽. 深度确定性策略梯度算法用于无人飞行器控制[J]. 航空学报, 2021, 42(11): 524688-524688.
[14]	罗世彬, 吴瑕, 魏才盛. 可重复使用飞行器的保性能姿态跟踪控制方法[J]. 航空学报, 2021, 42(11): 524660-524660.
[15]	董晓飞, 任章, 池庆玺, 李清东. 有向拓扑条件下针对机动目标的分布式协同制导律设计[J]. 航空学报, 2020, 41(S1): 723762-723762.

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