基于參考模型自適應(yīng)控制的RCS研究

胡祝兵，何生崗，韓志凌，馮法軍

(1.承德石油高等專科學(xué)校電氣與電子系，河北 承德 067000;2.承德江鉆石油機(jī)械有限責(zé)任公司，河北 承德 067000;3.承德石油高等?？茖W(xué)校社科與數(shù)理部，河北 承德 067000)

基于參考模型自適應(yīng)控制的RCS研究

胡祝兵1，何生崗2，韓志凌1，馮法軍3

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校電氣與電子系，河北 承德 067000;2.承德江鉆石油機(jī)械有限責(zé)任公司，河北 承德 067000;3.承德石油高等?？茖W(xué)校社科與數(shù)理部，河北 承德 067000)

RCS控制策略決定了飛行器燃料消耗和姿態(tài)控制效果。以連續(xù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計自適應(yīng)控制律實時調(diào)整RCS控制系統(tǒng)的反饋參數(shù)，采用混合整數(shù)規(guī)劃分配方法計算最佳的RCS開關(guān)邏輯，并對文獻(xiàn)［5］中的飛行器模型進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明此方法具有良好的控制效果及魯棒性，為RLV再入時的控制策略提供理論依據(jù)。

RCS;混合整數(shù)規(guī)劃;自適應(yīng)控制;魯棒性;

可重復(fù)使用運(yùn)載器(RLV)在無動力巡航及再入初期，由于空氣動壓小，氣動面操控效率很低甚至失效，且RLV主推力系統(tǒng)關(guān)機(jī)，此時RLV的姿態(tài)需由反作用力控制系統(tǒng)(reaction control system，RCS)來完成。制導(dǎo)系統(tǒng)經(jīng)過指令換算，計算出姿態(tài)調(diào)整所需要的力矩，經(jīng)由控制分配器計算出最佳的RCS開關(guān)邏輯，控制推力器噴管的啟止，從而完成姿態(tài)控制。文獻(xiàn)［1-3］采用PWM方式將RCS控制效果進(jìn)行沖量等效來實現(xiàn)RCS的優(yōu)化控制，此控制方式不能從理論上來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且實現(xiàn)較難。文獻(xiàn)［5］利用混合整數(shù)線性規(guī)劃對RCS控制進(jìn)行優(yōu)化分配，減少了RCS總開關(guān)次數(shù)。文獻(xiàn)［4］采用推力單一的RCS，雖能達(dá)到控制效果，但需要總沖大，控制精度低，且系統(tǒng)的魯棒性不夠好。本文以連續(xù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計自適應(yīng)控制律來實時調(diào)整RCS控制系統(tǒng)的反饋參數(shù)，采用混合整數(shù)規(guī)劃RCS分配方法，仿真說明了此方法的有效性和較好的魯棒性。

1 RCS特點

RCS控制是對推力器噴管開關(guān)的控制，通過確定噴管的點火時間，使燃料消耗和姿態(tài)控制效果達(dá)到最優(yōu)［4］。推力器在開關(guān)打開時有延遲、推力上升速率、上升時間，閉合時有延遲、推力下降速率、下降時間，以及開關(guān)具有最小閉合時間限制等特性，為了研究問題的簡單，本文在仿真時，將RCS開關(guān)看成具有理想的開關(guān)特性。即其輸出的反作用力為:

其中:Fi為第i個噴管產(chǎn)生的推力，F(xiàn)max為噴管的輸出最大推力，ui為噴管開關(guān)指令，0為閉合，1為打開。則每一個噴管所產(chǎn)生的力矩為τi=ri×Fi，ri為第i個噴管離飛行器重心的距離。

2 自適應(yīng)控制律設(shè)計

RLV姿態(tài)角運(yùn)動方程為:

假設(shè)φ，θ均很小，可近似得:

簡化之后，忽略了滾轉(zhuǎn)，俯仰和偏航之間的耦合。在設(shè)計控制律時可通過極點配置將系統(tǒng)設(shè)計成2階振蕩，且可選阻尼比ξ=0.707，無阻尼自然振蕩頻率ωn=3，這對簡化之后的模型是可以實現(xiàn)，且控制能滿足要求的。

參考模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。以俯仰軸為例，Gp(s)=為了減小系統(tǒng)的振蕩，從而減小RCS總沖，可選擇參考模型為基于lyapunov方法設(shè)計自適應(yīng)控制律為:，需要通過參數(shù)尋優(yōu)確定。其中 Kp=1，取 Kc0=9，ac10=6，ac00=9，采用GA 參數(shù)尋優(yōu)結(jié)果為:B1=1，B2=10，B3=1.2，C1=1，C2=12，C3=15。

3 數(shù)字仿真

以俯仰軸為例，為分析問題簡單，假設(shè)俯仰軸慣量為J=1，并由四個RCS單獨控制偏航角，四個RCS的輸出為±1 N，±9 N，RCS與重心之間的距離為1 m，并假設(shè)俯仰角初始值為0°，輸入為1°的階躍信號，分別采用參考模型自適應(yīng)控制和極點配置方法，采用混合整數(shù)規(guī)劃控制分配方法［5］，仿真結(jié)果如圖2，圖3所示。

系統(tǒng)中存在不確定性［6］，此處轉(zhuǎn)動慣量加20%的不確定性，仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖3—圖5可知，模型跟蹤自適應(yīng)控制系統(tǒng)的跟蹤精度高，RCS工作消耗的能量少，系統(tǒng)的魯棒性也較好。

采用文獻(xiàn)［5］中提供的RLV模型和RCS模型及相關(guān)參數(shù)，利用上述方法設(shè)計自適應(yīng)控制器，并假設(shè)滾轉(zhuǎn)角，俯仰角，偏航角初始值非別為，7.5°，15°，-15°，調(diào)整目標(biāo)值均為0°，仿真結(jié)果如圖6所示?？梢姡到y(tǒng)調(diào)整性能很好。

4 結(jié)論

基于Lyapunov穩(wěn)定性設(shè)計的模型跟蹤自適應(yīng)控制器，應(yīng)用于RLV再入RCS姿態(tài)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)跟蹤性能良好，且具有一定的魯棒性，此方法對RLV在再入初期的RCS控制系統(tǒng)設(shè)計有一定的參考價值。

［1］Bernelli-Zazzera F，Paolo Mantegazza P.Pulse-width equivalent to pulse-amplitude discrete control of linear system［J］.Journal of Gaidance，Cotrol and Dynamics，1992，15(2):461-467.

［2］Paradiso，J.A.Adaptable Method of Managing Jets and Aerosurfaces for Aerospace Vehicle Control.Journal of Guidance，Control，and Dynamics.Vol.14，No，1，1991.44-50.

［3］Bolender，M.A.，and Doman，D.B.，”Non-Linear Control Allocation Using Piecewise Linear Functions，”Journal of Guidance，Control，and Dynamics，Vol.27，No.6，2004，pp.1017-1027

［4］賀成龍，陳欣，吳了泥.可重復(fù)使用運(yùn)載器的RCS控制技術(shù)研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2010，30(1)50-53，57.

［5］David B.Doman，Brian J.Gamble，and Anhtuan D.Ngo.Quantized Control Allocation of Reaction Control Jets and Aerodynamic Control surface［J］.Gaidance，Cotrol and Dynamics，2009，32(1):13-21.

［6］Qian Wang，Robert F.Stengel Robust Nonlinear Control of a Hypersonic Aircraft［J］.Journal of Guidance，Control，and Dynamics Vol 23，No.4，July-August 2000

Research of RCS Based on Model Reference Adaptive Control

HU Zhu-bing1，HE Sheng-gang2，HAN Zhi-ling1，F(xiàn)ENG Fa-jun3
(1.Department of Electrical＆ Electronic Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China;2.Chengde Kingdream Petroleum Machinery Co.，Ltd.Chengde 067000，Hebei，China;3.Department of Social Sciences，Mathematics and Physics，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

The vehicle fuel consumption and attitude control effect is determined by the RCS tactics.We design adaptive control law to adjust the feedback parameters of RCS based on continuous system control theory，then calculate the optimal RCS switch logic according to mixed integer linear programming.The simulation analysis on the aircraft model in reference 5 is carried out.It shows that the aircraft control system have better performance and robustness.This method may be used in designing a controller to a RLV reentry phase.

reaction control system;mixed integer linear programming;adaptive control;robustness

V448.2

A

1008-9446(2014)03-0028-03

2013-12-11

胡祝兵(1981-)，男，安徽望江人，承德石油高等?？茖W(xué)校電氣與電子工程系講師，碩士研究生，主要從事自動控制理論方面教學(xué)與研究工作。