17、火箭的鲁棒控制

火箭的鲁棒控制

1. 引言

在航空航天领域，火箭的姿态稳定控制至关重要。对于飞行在1000米至10000米高度的有翼超音速火箭，其被控对象具有时变特性，这给控制器设计带来了很大挑战。为简化设计，我们先推导火箭纵向运动的线性化方程，并将运动中空气动力系数的变化视为设计中的参数不确定性。本文将设计连续时间和离散时间的µ控制器，用于俯仰和偏航控制，确保在存在不确定性、干扰和噪声的情况下实现期望的闭环动态。

2. 火箭动力学

2.1 火箭基本信息

我们考虑的是一种采用鸭式气动布局、配备固体推进剂发动机的有翼火箭。姿态稳定系统在纵向和横向运动中的执行器是四个控制面（鳍片），它们可以成对绕轴旋转。滚转角稳定通过辅助面（副翼）实现。控制目标是在空气动力特性存在不确定性、有干扰（阵风）和传感器噪声的情况下，确保精确跟踪所需的加速机动。控制器为两个使鳍片旋转的伺服执行器提供输入，每个平面的法向加速度和俯仰（偏航）率分别由加速度计和速率陀螺仪测量，并作为反馈信号传输给控制器。

2.2 参考坐标系

为描述火箭在空间中的运动，需要三个正交参考系：
- 车载垂直参考系 ：x∗轴指向北方，y∗轴指向东方，z∗轴沿当地重力方向向下。
- 弹体固定参考系 ：x1轴指向火箭头部，y1轴指向顶部机翼，z1轴指向右侧机翼。火箭姿态由俯仰角ϑ、偏航角ψ和滚转角γ表征，在标称运动中滚转角通常很小。
- 飞行路径参考系 ：x轴与火箭速度向量V对齐，y轴位于Ox1y1平面内。弹体固定参考系相对于飞行路径参考系的方