● 摘要
可重复使用运载器(Reusable Launch Vehicle, RLV) 亚轨道再入阶段，环境恶劣复杂，各类故障易发、频发。为了保证系统稳定，实现安全飞行，需要研究应急返回姿态容错控制方法。本文针对执行器的典型故障和控制能力异常，分别设计了基于补偿思想的容错控制方案和抗饱和控制方案，并搭建了Simulink仿真平台，对方案进行了验证，来支撑应急返回方法研究。
本文进行了以下研究：
进行了应急返回姿态控制技术的需求分析和总体控制流程设计，并提出了应急返回的复合容错控制总体方案。考虑引发应急返回的执行器典型故障和控制能力异常情景，即发生了卡死、松浮、损伤故障和饱和值降低、控制效率下降两种异常情况，由直接力系统产生补偿力矩，保证飞行器短时间内不失控；得到故障诊断结果之后，通过控制分配重构达到控制系统自修复的目的；如果发生饱和问题，则采取抗饱和控制方法，保证姿态控制系统的性能。
针对典型舵面故障，分纵向、横侧向通道进行了主控制器加基于非线性扩张状态观测器的补偿控制器结构设计，进行了基于伪逆法的控制分配及重构设计，旨在使已产生故障的执行器尽量少用或不用的约束，以避免舵面受损加重和故障对控制效果产生更恶劣的影响。
针对舵面饱和（控制能力异常）问题，采用两步法抗饱和控制方法，然后分别对纵向、横侧向通道设计了抗饱和补偿器，并将抗饱和增益的求解问题归结为线性矩阵不等式的求解问题，使饱和闭环系统的稳定区域的估计最大化，旨在减少操纵面处于饱和的时间，延长舵面使用寿命。
最后针对某RLV对象进行了数值仿真，首先验证了基于非线性扩张状态观测器对干扰力矩的估计和补偿效果，然后分别针对三种典型故障，进行了控制分配及重构仿真验证，最后仿真了舵面发生饱和问题时抗饱和补偿控制器的效果。仿真结果说明了应急返回复合容错控制方案的有效性。