题目：可重复使用运载器鲁棒LPV控制技术研究

可重复使用飞行器(RLV)的再入飞行具有飞行空域广、速度变化范围大和飞行环境复杂等特点，使得飞行器的动态特性成为一个参数在大范围内快速变化、具有严重不确定性的复杂非线性系统，对再入飞行控制系统的设计提出了严峻的技术挑战。本文以翼身组合体的两级入轨RLV为对象，结合高超声速再入大包线飞行控制系统设计面临的新问题，对线性变参数控制(LPV)理论进行了深入研究。论文首先解决LPV控制应用于参数在大范围内快速变化的对象时面临的几个理论问题，在传统LPV设计方法的基础上，引入参数依赖性能概念、 回路成形理论和新型输出反馈非线性控制器结构，解决原有LPV方法中性能保守、控制器阶数过高和“隐性耦合”带来的闭环线性化问题，在鲁棒LPV控制理论方面得到了一些有价值的思想和方法，并运用上述方法解决了RLV再入飞行时参数在大范围内快速变化的鲁棒控制问题。论文的主要研究成果如下：1. 以垂直起飞水平降落的两级入轨RLV为对象，建立了RLV的六自由度非线性模型，并根据控制需要建立了面向控制的纵向和横侧向LPV模型，利用典型的RLV再入标准轨迹，对再入包线内的飞行参数和动态特性进行了分析。2. 在传统LPV控制设计的基础上，引入参数依赖性能的概念，将系统的鲁棒性能表示为调度参数的函数，使闭环系统在不同的工作点可以达到不同的鲁棒性能，形成一种基于参数依赖性能的LPV控制器设计方法；并且在控制器的综合过程中采用参数依赖的Lyapunov稳定性理论，考虑了变参数的变化率限制，将控制器的综合条件转化为解线性矩阵不等式（LMI）的优化问题，有效解决了参数空间内的极限工况造成控制器性能保守的问题。3. 针对LPV控制器设计过程中加权函数不易选择和控制器阶数过高不利于工程实现的问题，将在工程中广泛应用的 回路成形控制引入到多胞形LPV系统控制器设计中，提出一种低阶静态控制器设计方法；并利用回路成形方法和传统 控制之间的等价性，将这种方法推广到一般形式的LPV系统控制中，既可以利用回路成形设计中的频域成形方法来选择加权函数，又避免了回路成形控制中求取控制器的复杂运算，得到一种实用的基于 回路成形的LPV控制器设计方法。4. 针对LPV线性控制器实现时由“隐性耦合”（hidden coupling）带来的闭环线性化问题，提出了一种新型输出反馈非线性控制器的结构，通过将与零误差轨迹相关的状态和测量信息等引入控制器状态矩阵，保证了非线性闭环系统在零误差轨迹上可以准确的线性化为LPV对象和LPV控制器组成的闭环系统；在求解控制器的存在条件时，通过将控制器状态矩阵中的已知约束转化为LPV对象的一部分，利用消元定理将控制器的设计问题转化为解一组LMIs的凸优化问题，解决LPV线性控制器应用于原始非线性对象时的闭环线性化问题，在理论上保证了实际非线性闭环系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能。5. 针对RLV再入飞行参数在大范围内快速变化的全包线姿态控制问题，结合RLV的再入飞行特性，根据RLV再入飞行纵向通道和横侧向通道耦合较小的特点，将其再入控制问题分解为纵向和横侧向两个子系统，以高度为调节变量，首先利用研究的LPV控制方法设计从控制力矩到姿态响应的多变量鲁棒LPV控制器，得到所需控制力矩，然后利用一个双重控制分配算法将所需控制力矩分配到对应的控制舵面和RCS，得到再入飞行的全局控制系统。针对RLV参数大范围内快速变化且存在较大不确定性的精确姿态控制问题，引入两自由度的控制器设计思想，相当于加入控制指令的前馈补偿，保证闭环系统在精确跟踪制导角指令的同时能较好地抑制外界干扰，在闭环系统鲁棒性和控制性能之间得到了较好的折衷。在考虑飞行器气动参数偏差和大气密度偏差的情况下，进行了再入段飞行非线性仿真验证。