重型运载火箭模型参考自适应增广控制研究

发布时间：2020-05-18 17:56

【摘要】：随着我国航天技术的发展以及对太空探测的深入,重型运载火箭的研制已成为我国太空发展战略的必然要求。重型运载火箭由于质量、推力和长细比大,结构质量较低,且采用多发动机联合摆动,箭体在飞行过程中存在复杂的弹性振动特性,同时复杂的外部环境干扰、参数不确定性使传统增益定序PD控制难以达到控制精度要求。本文对重型运载火箭模型参考自适应增广控制方法进行研究,旨在通过该方法提高传统增益定序PD控制对飞行环境的适应性。本文首先对自适应增广控制的国内外研究现状进行了调研,包括自适应增益调整、干扰补偿控制、主动减载控制和控制分配技术的发展。然后对重型运载火箭的运动特性和受力进行了分析,建立了重型运载火箭刚体-弹性耦合数学模型、弹性振动模型和控制模型。根据重型运载火箭弹性振动频率的变化特点,基于粒子群优化(PSO)方法设计了校正网络,并提出了校正网络按飞行时段切换的弹性振动抑制方法。设计了自适应增益调整算法提高增益定序PD控制器应对大干扰、不确定性和弹性振动频率突变的能力,仿真结果表明,自适应增益调整算法对标称控制器的性能具有较好的改善作用。针对控制增益下降导致的姿态控制误差较大的问题,基于扩张状态观测器设计了干扰补偿控制结构;针对低结构质量的箭体经过大动压区时结构载荷过大的问题,基于Lyapunov定理设计了主动减载控制结构;针对多推力矢量发动机的控制分配问题,基于链式递增算法设计了控制分配结构。最后对重型运载火箭一级助推段的姿态控制进行了非线性仿真,通过将模型参考自适应增广控制与传统增益定序PD控制进行对比,验证了以下内容:(1)自适应增益调整算法能够通过改变控制增益抑制大干扰、不确定性和弹性振动频率突变的影响;(2)基于扩张状态观测器的干扰补偿控制能够减小因增益下降导致的姿态角误差;(3)基于Lyapunov定理的主动减载控制能够降低箭体结构在大动压区受到的载荷;(4)链式递增算法能够有效实现多推力矢量发动机控制的力矩分配。
【图文】：

增广,自适应,控制结构

采用模型参考自适应控制方法设计了运载火箭控制系统[7]。王佩等针对运载箭姿态运动中由参数不确定性、内外干扰和弹性频率变化导致的姿态控制题，基于微分估计器和分数阶 PD 控制实现对火箭的刚体控制[8]。在多种运载火箭控制方法中，研究人员考虑得最多的主要有两方面的题：一是如何在大范围扰动和参数不确定性影响下减小运载火箭姿态控制差；二是如何实现在弹性振动与刚体运动耦合较强时实现对弹性振动的抑制在考虑上述问题的基础上，结合方便实现工程应用的要求，国内外研究员多致力于研究对传统控制方法的改进，进而提高运载火箭控制系统的性能其中，自适应增广控制方法取得了较大的研究进展。1.2.2 运载火箭自适应增广控制发展现状自适应增广控制（Adaptive Augmenting Control,AAC）的基本思想是通多种控制回路提高传统控制器应对不同飞行环境的能力。自适应增广控制中了传统标称控制器和校正网络结构外，还包括自适应增益调整、干扰补偿、动减载和控制分配结构，如下图所示。

示意图,扭转弹性,示意图,弯曲振动

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文航平面弯曲振动与俯仰平面弯曲振动唯一的区别是外力作用方俯仰平面弯曲振动微分方程相似，可以得到偏航平面弯曲振动扭转弹性振动微分方程载火箭在外力作用下除了会发生弯曲振动外，，还存在箭体轴线分析运载火箭的扭转振动时，将其简化为一个圆柱体，则其扭示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V448.1

【参考文献】