● 摘要
本文针对航天运载器轨道跟踪问题提出了一种制导与控制规律的设计方法。本研究首先导出运动的数学方程，并且在SIMULINK环境下进行了仿真实现，利用遗传算法进行轨道全局优化及开环操纵指令优化。本文设计了经典控制技术和现代控制技术来跟随最优飞行程序。首先对线性系统设计经典PID控制器。由于存在非线性和不确定性，针对非线性系统采用遗传算法进行PID增益离线调节。为了使控制系统具有鲁棒性，采用了模糊控制技术，本文的模糊控制由模糊规则集合和模糊推理机构成，具有较好的适应性，并使用遗传算法进行了离线模糊控制器参数优化。在非线性、模型误差严重情况下，在自动驾驶仪设计中使用了鲁棒性较好的滑动模态控制（SMC）方法。为了满足低成本、可靠性和安全性的目标，飞行器的制导算法必须具有很强的鲁棒性，且飞行器要在近最优弹道上飞行。制导方案分成两个阶段实现：首先是飞行器在大气内飞行的开环制导阶段，在这个阶段，飞行器利用姿态控制程序来跟踪预定轨道。然后是闭环制导阶段，原理是在大气层外的飞行阶段采用弹道整形以使飞行器满足预期的轨道参数。摄动制导阶段，通过修正弹道，在内部自动驾驶仪回路基础上使用了一外部控制回路通过整形实现姿态、高度和横向距离控制。为了达到提高安全性和可靠性的目的，本文提出了一种利用轨道修正的基于规则的模糊导引方法，并应用于具有非线性动力飞行器。采用遗传算法离线设计模糊系统的隶属函数。提出一种采用滑模制导方法，为递归线性时变动力学到非线性系统动力模型的近似选择了一个最优时变的滑动面。本文还在假设重力加速度不变的前提下实现了双线性正切制导。所研究的各种制导律都满足攻角以及常规负载的约束条件，并采用6自由度模型对4级运载火箭分别进行了仿真验证。