基于增量式非线性动态逆的运载火箭姿态控制：面向快速鲁棒设计方法的可行性研究

所谓的“新航天时代”见证了运载火箭公司在商业模式和制造技术上的颠覆性变革。然而，控制理论创新所能带来的益处——不仅在提升性能极限方面，也在减少任务准备或“任务化”工作量方面——却鲜受关注。此外，当前仍依赖线性控制的实际工程做法与其他可能给运载火箭姿态控制带来切实改进的现代化控制技术之间仍存在鸿沟。非线性动态逆（NDI）是一种基本“抵消”一类非线性系统非线性特性的技术，使得无需在不同工作点间进行增益调度即可施加单一线性控制律。增量式非线性动态逆（INDI）是NDI的一种变体，其生成增量指令并利用加速度反馈以降低对模型的依赖，从而更易于设计，并在闭环中表现出更强的鲁棒性。尽管INDI已成功应用于若干航空航天场景，但其在运载火箭上的适用性尚未得到充分研究。因此，本文旨在向运载火箭制导、导航与控制（GNC）领域引入并普及INDI方法，展示其在典型发射上升应用场景中的实现，以凸显INDI的优势与挑战。我们提出了一种用于姿态控制INDI稳定性分析的实用新方法，并将INDI与带/不带角加速度估计的调度PD控制器进行比较。结果表明，尽管INDI控制器通常比线性控制器对传感器噪声和执行机构延迟更为敏感，但其在鲁棒性与性能方面的潜在优势超过了这些局限。