● 摘要
可重复使用运载器（Reusable Launch Vehicle, RLV）是一种可以往返天地的高超声速飞行器，而RLV的控制难点主要集中在再入飞行段。RLV再入飞行时正好处于临近空间，因此可以将再入段的RLV看作一种临近空间高超声速飞行器。RLV再入段飞行具有飞行包络线大、飞行环境恶劣的特点，存在非线性、强耦合、大干扰等控制问题。在RLV再入初期，由于气动操纵面效率严重不足，需要使用反作用控制系统（Reaction Control System, RCS）来进行辅助控制。由于气动操纵面与RCS的控制特性相差很大，使得异类多操纵面的复合控制设计成为RLV控制设计的难点之一。
对此，本文将充分考虑异类执行机构的控制特性，针对RLV再入过程中存在的非线性及不确定性，为RLV设计复合控制器，具体研究工作包括：
定义了相关坐标系及变量，建立了RLV再入完整的非线性六自由度运动学和动力学模型。考虑控制器设计的需要，分析模型特点，建立了面向控制器设计的仿射非线性模型和分通道非线性模型。对RLV气动操纵面、RCS的配置及控制效果进行了分析。结合RLV再入段飞行特性和临近空间飞行环境模型，分析归纳了再入飞行过程中的不确定性来源。
RLV的异类执行机构的复合控制问题可以转化为脉冲切换系统的控制问题来解决。针对脉冲切换系统，首先针对系统状态可以获得的情况，给出了脉冲切换系统基于状态反馈的镇定控制律设计方法，可以保证系统在任意切换条件下渐近稳定。针对系统状态不可获得的情况，建立状态观测器对系统状态进行估计，通过观测器的输出构成反馈控制律，保证闭环系统在任意切换条件下渐近稳定。为了实现指令跟踪，建立原系统的增广系统，将原系统的跟踪控制问题转化为增广系统的状态镇定控制问题，从而可以直接利用已设计的方法求解。针对气动操纵面控制作用连续与RCS控制作用非连续的特点，利用脉冲切换系统的形式建立复合控制下的RLV动力学模型，利用已设计的控制方法给出控制律，并依据动压和指令跟踪误差设计模型间的切换律。
由于方法的局限性，利用脉冲切换系统来实现复合控制，只能针对RLV的线性模型进行。为了更好地解决RLV再入过程中存在的非线性和强耦合问题，需要直接针对RLV的非线性模型设计复合控制器。为此，将控制分配引入到控制器设计中，利用控制分配实现异类多操纵面的复合控制。控制器设计分解为控制律设计和控制分配设计两部分进行。控制律设计可以首先给出三轴期望转矩；控制分配负责将期望转矩转化为执行机构指令。控制律设计方面：利用反步法的思想设计了RLV非线性控制律；针对RLV再入过程中不确定性大的问题，在控制律中引入滑模项，增强控制律的鲁棒性；考虑滑模项增益难于确定的问题，在控制器中引入精确微分估计器，实时估计系统不确定性上界，根据估计值在线调整滑模项增益，减小系统的抖振。控制分配采用两级分配结构：一级分配依据动压将期望转矩分配给气动操纵面和RCS；二级分配中气动操纵面使用改进的直接分配法将期望转矩转化为气动操纵面偏转指令，RCS使用PWPF调制的方法，等效为连续量，通过二次规划的方法实现分配。
由于RLV的气动操纵面和RCS的数量远大于期望转矩的数量，执行机构存在冗余，使得RLV具有一定的容错能力。针对典型的气动操纵面故障，设计了新型鲁棒容错复合控制器。控制器仍采用控制律与控制分配分开设计的方法，但是将控制律进一步分解为主控制律和补偿控制律。主控制律仍采用反步滑模控制律，保证系统在没有故障和不确定性情况下具有良好的性能。针对系统本身存在的不确定性和气动操纵面故障所带来的扰动，在控制器中引入二阶扩张状态观测器（Nonlinear Extended State Observer，NESO），实时估计系统总的不确定性，补偿控制律根据估计值给出补偿信号，保证系统在不确定性和故障情况下仍具有较好的性能。对于控制分配方面，为了提高分配精度，提出了更适合RLV的气动操纵面非线性控制分配方法。并在控制器中引入故障诊断模块，获取气动操纵面的故障信息，通过故障信息设计控制分配重构机制，利用健康的冗余操纵面补偿故障带来的影响。
针对RLV非线性对象进行了再入飞行全程的数值仿真，以验证方法的有效性。
最后，对全文内容进行了总结与展望。