● 摘要
面对未来空间开发的需求和技术进步的推动，可重复使用运载器成为当前高超声速飞行器研究的热点，其在降低运营成本、可执行多种航天任务以及频繁往返太空等方面具有重要的军事用途和商业开发价值。其关键技术包括先进气动外形设计、高超声速气动力/气动热技术、防热结构与材料、制导导航与控制等，国内外对此进行了相关技术的演示验证机研制，并进行了一系列相应的飞行试验。
在此，从RLV再入姿态控制的角度进行了先进控制方法设计与应用的研究。RLV兼具航天器与航空器相结合的特点，其飞行包线范围广，飞行动态快速时变，具有强非线性与耦合特性，姿态控制是一个研究的难点，探索先进、鲁棒、智能的姿态控制器对保证飞行安全、降低开发成本和提高控制系统可靠性有重要意义。
本论文以类似航天飞机的可重复使用运载器为对象，在RLV控制建模、先进控制方法设计及控制策略探索与应用等方面进行了系统、深入的研究。论文主要研究工作与成果表现在以下几个方面：
(1) 进行了RLV再入控制建模研究，建立了包含气动舵执行机构和反作用控制系统的翼身组合体概念模型，推导了六自由度非线性运动方程，并面向控制器设计进行了控制模型的简化；基于工程计算方法获得了飞行器的气动模型，在此基础上进行了操纵性和稳定系分析。概念设计阶段需要多次调整飞行器的气动外形和控制布局，工程计算方法的快速性与准确性能够满足研究需求，CFD验证和控制特性分析表明，所设计的RLV控制模型能够反映这类飞行器再入的飞行动力学特性和控制所面临的问题，得到了与航天飞机一致的再入物理特性。
(2) 针对RLV大包线再入姿态控制任务自适应、鲁棒性的要求，详细设计了一种鲁棒自适应控制方法。RLV再入飞行过程中，存在未建模动态与各种干扰作用，使得按照飞行器标称模型建立的姿态控制器性能下降：未建模动态会严重影响姿态控制性能，外界干扰和不确定性则会在控制回路上形成综合的干扰项。根据各干扰源的不同，构造干扰补偿与抑制相结合的鲁棒自适应控制算法：神经网络在线自适应地估计综合的不确定性动态，在内回路姿态角速率动态中予以补偿；同时在外回路姿态角动态中进行鲁棒控制优化设计，获得姿态控制的鲁棒性能。研究表明单独的自适应控制或者鲁棒控制难以完成全包线的控制任务和良好的鲁棒控制性能，所设计的鲁棒自适应控制律能够满足RLV再入控制的任务要求，获得了良好的控制效果。
(3) 提出了一种分层结构化控制系统结构，分别设计了RLV再入的控制策略、控制分配和复合控制方案，解决了先进非线性控制方法不能从传统的操稳分析来进行控制设计而缺乏物理概念的缺点。RLV再入采用了RCS/气动舵的复合控制，而且RCS和气动舵分别具有多个推力器和气动操纵舵面，协调这些执行机构的控制还涉及控制分配的问题。对于RLV姿态控制研究，从控制律和控制分配的角度给出了设计对策，控制策略抓住了RLV的操稳特性和任务要求，在所设计的双环回路的分层姿态控制结构上，三通道耦合控制能够最大限度地发挥飞行器的控制能力，获得了充足的控制余量。
(4) 设计了一种模块化的RLV仿真验证平台，具有通用性和可移植性，用于验证各种控制方法和控制策略。控制律设计模块由内回路控制器和外回路控制器构成，复合控制策略模块用于协调RCS与气动舵的控制，控制分配模块分为气动舵控制分配模块与RCS控制分配模块，控制融合模块中模拟气动舵和推力器的动态，获得实际操纵飞行器的力与力矩，飞行器运动模块用于解算飞行器的非线性状态。在此仿真验证平台上进行了蒙特卡洛仿真，验证了控制器设计的有效性。