题目：可重复使用运载器强自适应控制技术研究

可重复使用运载器（Reusable Launch Vehicle, RLV）再入段飞行具有高动态、飞行包络线很大、飞行环境恶劣的特点，存在系统参数大范围剧烈变化、具有严重不确定性、强耦合、复杂非线性等问题。面对RLV复杂的动力学特性和恶劣的飞行环境，强自适应飞行控制技术是可重复使用运载器安全返回，实现重复使用的关键技术。本文以非线性动态逆控制算法和不确定性估计方法为基础，针对RLV再入飞行的特点，进行了以下研究：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，并且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。并根据气动数据，建立了气动参数模型，结合RLV再入段飞行特性和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。非线性动态逆控制器对于对象的非线性、强耦合有很强的处理能力，但方法过于依赖于对象的精确数学模型，对不确定性的适应能力较差。考虑到RLV再入飞行不确定性大的问题，必须有针对性的进行方法的优化改进，使之能够发挥动态逆控制器解决非线性及耦合的优点，同时提高系统鲁棒性和自适应能力。沿着该思路，研究了基于非线性动态逆的增量式自适应控制方法，该方法通过改变传统动态逆指令形成的直接解算方式，形成增量式指令，在一定程度上可以解决由外部扰动和部分内部不确定性所带来的系统误差。结合RLV再入飞行模型，通过分析系统状态变量间的动态关系，分别采用非线性动态逆控制方法和基于非线性动态逆的增量式自适应控制方法，设计了基于时标分离原理的内外环控制器，通过数字仿真对比验证了系统受扰情况下的控制效果。针对传统非线性动态逆方法鲁棒性差的问题，结合变结构控制的思想，提出了滑模动态逆控制器设计方法，利用滑模变结构方法来增强非线性动态逆的鲁棒性，并充分发挥了动态逆本身的优点。进一步深入分析，考虑到面对RLV再入飞行对象，滑模动态逆控制器中合理的附加滑模项幅值较难确定的问题，结合自抗扰理论，采用非线性扩张状态观测器进行扰动估计，从而建立了基于滑模动态逆的强自适应控制器，并针对RLV再入飞行对象设计了控制器。该控制器通过扰动估计器建立对扰动的估计信息实时在线调整滑模项幅值，避免了系统不必要的抖振，同时又兼顾了系统鲁棒性。由于RLV长时间保持大攻角高超声速飞行在近空间环境中，再入飞行过程难以精确建模，系统可能长时间存在较大不确定性扰动，经过深入分析，基于滑模动态逆的强自适应控制器可能出现因抖振较大而造成控制性能下降的潜在问题。针对这种可能出现的问题，改变控制器结构，在滑模动态逆控制器中增加补偿控制器，设计出了强鲁棒自适应控制器，通过使用补偿控制器增加系统鲁棒性，进一步改善了控制器性能。针对RLV再入飞行需要采用RCS/气动力复合控制的系统构型，结合论文设计的基于滑模动态逆的强自适应控制器和强鲁棒自适应控制器，分析RCS控制和气动舵面控制各自的特点，研究并建立了一套两层分配结构的RCS/气动力复合控制方法。针对RLV非线性对象进行了再入飞行全程的数值仿真，以证实方法的有效性。最后，对全文内容进行了总结与展望。