一种基于二阶滑模的柔性运载火箭姿态控制

为了实现柔性运载火箭的高精度姿态控制,针对传统滑模控制中存在的抖振问题,提出了一种新型的二阶滑模变结构控制方案,并利用超螺旋算法得出控制律。在运载火箭的飞行过程中,运载火箭姿态控制系统是具有参数不确定和外界干扰的复杂系统,该方法在保证控制系统鲁棒性的前提下,有效地削弱了抖振现象,从而避免了激发出箭体高频弹性模态,能够较好的改善控制系统的动态响应性能。仿真结果表明,该方法在运载火箭姿态控制中取得了较好的控制效果,同时具有较强的鲁棒性。

运载火箭姿态控制速率陀螺自适应加权方法

针对运载火箭反馈控制回路中弹性振动信号与刚体信号存在耦合,会明显降低姿控系统稳定性的问题,提出了一种速率陀螺自适应加权方法,该方法适用于弹性振动的模态振型斜率和频率存在偏差的情况。将速率陀螺观测信号转换为频域表达,采用插值离散傅里叶变换方法辨识弹性频率;基于频域信号提出了速率陀螺加权系数矩阵自适应更新算法,分步抑制了各阶弹性振动信号;开展了不同偏差情况下的仿真校验工作。仿真结果表明,速率陀螺自适应加权方法可实现对速率陀螺测量信号中弹性振动信号的显著抑制,从源头上减小弹性振动信号对姿控系统稳定性的不利影响,从而提高运载火箭姿态控制器的性能,降低控制器的设计难度。

一种运载火箭多胞自适应姿态控制框架

针对按照时间系留法所设计的运载火箭姿态控制系统适应性较差的情况,提出一种能够适应大气层全程飞行段的多胞自适应姿态控制框架。该框架所基于的假设为箭体在整个气动舵控飞行段中的动态特性能够通过特征时间点系留模型的多胞凸组合表示,并以该假设为基础给出了针对气动不确定、舵效不确定情况下的自适应姿态控制算法。为了应对该自适应姿态算法中参数不匹配所带来的参数振荡和模型不匹配所带来的建模误差,设计了基于参数辨识和扰动补偿的改进方法。所述的三种方案均通过理论分析确保了所设计控制系统的稳定性,将其应用到箭体姿态控制中可以实现对箭体姿态角的有效控制,控制精度高而且需要调节的参数少,具有较好的工程应用前景。

中国运载火箭姿态控制技术发展与展望

从动力学建模、姿态控制器设计和设计仿真技术方面系统地梳理了中国液体运载火箭姿态控制技术的发展历程,总结了当前运载火箭姿态控制技术发展面临的问题和挑战。根据国外运载火箭姿态控制技术的发展趋势,结合后续中国运载火箭发展的技术需求,对姿态控制技术的未来发展进行展望,提出了下一阶段姿态控制技术发展的5项重点研究方向。

运载火箭姿态控制多速率陀螺融合方法

针对柔性火箭姿态测量中弹性信号会严重影响姿控系统设计和稳定性的问题,提出基于遗传算法的速率陀螺融合方法。首先,以降低姿控回路摆角指令传递函数的弹性峰值为目标,提出多速率陀螺融合方法的目标函数;其次,将多速率陀螺融合方法转化为多约束非线性规划问题,采用遗传算法求解多速率陀螺融合方法;最后,研究多速率陀螺融合方法对火箭姿态控制回路弹性信号的影响,以及对火箭控制器性能的影响。仿真结果表明:多速率陀螺融合方法可以有效减弱火箭姿态控制回路中的弹性信号,提高火箭控制器的性能,以增强火箭姿控系统的稳定性,降低火箭控制器设计难度。

大型液体运载火箭姿态控制参数智能设计方法

针对大型液体运载火箭控制参数设计依赖人工经验,设计过程耗时长,难以得出很好设计结果等问题,提出了一种控制参数智能设计方法。结合稳定裕度指标和截止频率约束,设计了一种分段式目标函数,避免单一稳定裕度值过大、其他稳定裕度很小甚至不稳定的情况。通过分析参数对系统频域特性的影响,将校正网络与控制增益分层优化,提出了一种基于优势更新的改进进化策略方法优化校正网络参数,基于Powell算法优化控制增益。仿真结果表明,提出的目标函数通用性强,提出的改进进化策略收敛速度快、收敛性好,优于其他启发式算法,优化结果优于人工设计结果,具有较高的工程应用价值。

基于鲁棒状态观测器的运载火箭姿态控制系统设计

考虑弹性振动和液体晃动,采用鲁棒观测器设计了运载火箭的姿态控制系统。将姿态角测量结果中弹性振动的影响视为外界干扰,利用状态观测器的低通滤波特性实现对高频弹性信号的衰减,同时状态观测器替代速率陀螺估计得到姿态角速度,以姿态角和角速度信号为输入,采用扭曲二阶滑模控制方法设计了姿态控制律,并从理论上对该控制律稳定液体晃动和弹性振动的原理进行了证明,对观测器变换矩阵的选择进行分析。数值仿真表明,在参数摄动和干扰的影响下,所提出的变结构控制律能够有效的跟踪控制指令,稳定系统姿态,具有较强的鲁棒性,同时鲁棒状态观测器能够准确的估计出角速度信息。

运载火箭姿态控制稳定性多速率陀螺组合策略

针对运载火箭飞行姿态控制中采用多速率陀螺组合代替单速率陀螺的问题,提出了任意数量速率陀螺组合的斜率计算方法,方法适用于大型运载火箭一级飞行速率陀螺组合姿态控制方式。推导了组合斜率不确定度的计算公式,并将不确定度纳入组合系数矩阵的计算当中,从而给出了一套工程实用的多速率陀螺组合姿态控制弹性稳定性策略。利用工程实例说明了组合速率陀螺较单个陀螺的优势。多速率陀螺的使用降低了对全箭模态试验振型斜率选位和斜率测量精度的要求,可为未来运载火箭不开展全箭试验提供支撑。

运载火箭姿态控制技术的发展趋势和展望

对国外运载火箭的姿态控制技术发展进行了梳理。根据国外运载火箭姿控技术的发展趋势,并结合国内运载火箭的发展方向,提出了几种可能应用于国内运载火箭的姿态控制方法,并给出了这几种姿态控制技术的工程实现方法和途径。分析表明,这几种控制方法对克服火箭参数不确定性、提高火箭姿控系统的鲁棒性具有明显优势。

大型捆绑运载火箭姿态控制系统

本文介绍了大型捆绑运载火箭姿态控制系统方案、工作原理和首发飞行试验结果,并将部分参数同美国航天飞机进行比较。

某系列运载火箭多射向发射姿态控制方案研究

介绍了某系列运载火箭实现多射向发射的几种方案 ,比较了它们的优缺点。

捆绑型运载火箭姿态控制系统半实物仿真方法

本文介绍了MPSE软件的主要特点,总结了采用银河仿真机对捆绑型运载火箭姿态控制系统进行半实物仿真的方法。

运载火箭姿态系统自适应神经网络容错控制

针对运载火箭姿态系统跟踪问题,考虑干扰、执行器故障和模型不确定因素的影响,设计了一种基于自适应神经网络的非线性容错控制律。该控制算法结合了连续的终端滑模控制,径向基神经网络和自适应控制方法。首先,基于滑模控制理论,设计了一种快速终端滑模面,保证系统跟踪误差能够在有限时间收敛至零。然后,在终端滑模面基础上,提出了一种基于自适应径向基神经网络估计的终端滑模控制律。利用自适应参数的神经网络逼近系统参数并提高抗干扰性能,采用平滑连续控制策略消除了终端滑模中的颤动现象。通过李雅普诺夫的分析方法证明了闭环系统的收敛性和全局稳定性。采用数值仿真,验证了提出的基于自适应径向基神经网络的终端滑模控制律具有较好的跟踪性能和精度。

新一代大型运载火箭大推力直接入轨高精度姿态控制方法

为解决一级半构型的千吨级大推力新一代大型运载火箭直接入轨时刻5m直径机架变形结构干扰大、20吨级巨大载荷条件下刚晃与弹晃交联耦合严重、百吨级低温发动机氧涡轮泵停转后效干扰大、主发动机关机后姿态控制能力显著不足等难题,提出了一种分时段多维增益自适应调整技术,动态调整关机后效段姿控系统滚动通道增益,可以有效提升载荷分离时刻姿态控制精度,确保20吨级有效载荷分离安全。

垂直回收运载火箭高精度姿态控制技术

针对返回式火箭垂直着陆回收任务中的控制难点,全面分析了返回过程中最关键的垂直着陆段对控制系统的需求和约束条件,提出了一种针对垂直着陆段的高精度姿态控制方案,包括:适应大静不稳和晃动极零结构的参数优化设计、增益非线性平滑调度以及基于自抗扰的高精度姿态控制算法。仿真结果表明:1)该方法具备了工程实现性强、模型适用范围广的实用特点;2)采用所提出的控制方案相比传统仅采用姿态主网络控制方案的控制精度有较大程度的提升,特别在支腿展开稳定过程中控制精度提高接近80%,控制精度提升效果显著,可以满足设计需求。

模糊控制技术在运载火箭姿态控制中的应用

将模糊控制理论用于运载火箭的姿态控制系统设计。以俯仰通道为例,给出了模糊控制系统框图、模糊控制器的设计及其改进。仿真结果表明,所设计的运载火箭姿态模糊控制系统简单,对内外干扰具有较强的鲁棒性。

运载火箭姿态的自抗扰控制器设计

为了抑制运载火箭自身结构参数变化和内外扰动对姿态控制精度和姿态稳定性的影响,设计了自抗扰控制器。通过跟踪微分器为期望姿态安排过渡过程,并提取其微分信号,然后利用扩张状态观测器,采用复合量测信息对系统的不确定项进行估计;设计姿态反馈控制器,利用扩张状态观测器估计的信号对不确定项进行实时补偿,实现对运载火箭的姿态控制。最后通过仿真说明了自抗扰控制器可以获得良好的动态性能、抗扰性和较强的鲁棒性。

液体运载火箭线性自抗扰容错姿态控制方法

针对液体运载火箭发动机故障,提出一种线性自抗扰容错姿态控制方法。以PD+校正网络为基线控制器,通过线性扩张状态观测器观测回路中包括故障在内的总和扰动,以补偿控制的形式与基线控制器指令叠加形成最终控制指令;推导了包括线性扩张状态观测器在内的控制回路传递函数,通过频域仿真分析提出了线性扩张状态观测器带宽参数的设计规则;最后通过时域仿真,与PD+校正网络、自适应增广控制方法对比。结果表明:在给定相同发动机故障工况下,线性自抗扰容错控制方法对故障适应能力明显优于其他方法。

基于Simulink的运载火箭姿态控制系统时域仿真软件开发

运载火箭的时域仿真软件如果采用C语言开发、工作量庞大、周期长,Matlab包含仿真平台Simulink,它拥有丰富的函数模块库,无需单独开发界面,无需为实现积分算法而专门编写程序。结合实例,介绍如何利用Simulink搭建火箭姿态控制系统时域仿真模型,其中重点分析如何采用S-function实现箭体模型,如何解决时变参数输入、多维微分方程计算、合理加快仿真速度等难题。开发过程与开发结果充分表明,这种方式具有开发速度快、界面直观、通用性强等优点。

运载火箭姿态控制系统冗余方案分析研究

针对提高运载火箭姿态控制系统可靠性问题 ,从姿态角速度信号获取及伺服系统回路设计两方面提出了故障吸收冗余方案模式 ,对其冗余配置、工作原理、可靠性问题进行了讨论 ,并对方案可行性进行了设计分析。