运载火箭自适应增广控制参数设计及稳定性裕度分析

针对运载火箭主动飞行段的强鲁棒姿态控制系统设计要求,提出自适应增广控制器(adaptive augmenting controller,AAC)的参数设计方法以及稳定性裕度分析方法。首先,针对传统运载火箭建立了小扰动线性化方程,推导了传递函数,并基于特征点参数设计了比例微分(proportional-derivative,PD)控制器及校正网络。然后,开展了AAC设计,给出调节参数的具体设计方法和准则。为了评估加入AAC之后整个控制系统的稳定性,基于正弦分析法推导了AAC的正弦响应模型,从而可评估系统的稳定性。最后,在多种干扰条件下完成了六自由度(six degree of freedom,6-DOF)的仿真分析,证明了AAC的有效性,同时也获得了AAC+PD控制系统的幅值裕度和相位裕度。仿真结果表明,该方法能够反映实际系统的稳定性,具有一定的工程指导意义。

自适应增广控制频域分析与飞行试验

本文聚焦运载火箭自适应增广控制频域分析问题。首先,通过对控制器结构的简化,降低其非线性,同时构造单输入单输出环节,便于频域分析;之后,利用描述函数和常微分方程近似解析解的思想,对自适应增广控制进行了频域分析,获得了频域模型;最后,基于可重复使用验证飞行器对自适应增广控制器进行了飞行测试。飞行结果显示频域模型正确且精度较高,能够获得更好的控制效果。

运载火箭自适应增广控制参数优化整定方法

针对参数众多的自适应增广控制(Adaptive Augmenting Control,AAC)技术,提出了两种基于优化算法的参数整定方法,实现了对AAC控制器参数的合理设计。第1种方法是使用粒子群算法,通过设计合理的适应度函数,使得优化得到的参数在标称状态下尽量不影响系统,在有干扰的情况下提升系统的抗扰动能力。第2种方法是重新定义高低通滤波器,减少优化参数数量,使用遗传算法得到优化的参数可以加快计算速度。仿真结果验证了使用优化算法得到的参数的合理性。与PD控制系统相比,AAC控制能够提升抗干扰能力;与滑模控制系统相比,能够看到相同精度下AAC控制的控制指令更加平滑。将第2种方法中得到的参数与使用粒子群算法对比,使用遗传算法得到的参数具有更优的性能。

大型捆绑运载火箭反步自适应增广控制研究

针对大型捆绑火箭空间模态参数不确定性较大的特点,建立了大型捆绑运载火箭姿态动力学模型,提出了基于反步的自适应增广控制方法,设计了反步控制律,分析了自适应增广控制的机理,并针对弹性参数不确定性进行了仿真。理论分析和仿真结果表明,所提出的基于反步的自适应增广控制对于空间模态参数的不确定性具有很强的适应性。

运载火箭主动段自适应增广控制

针对运载火箭上升段在复杂飞行环境、大不确定性干扰和振动等因素的影响下,传统PID控制方法难以满足高品质控制需求的问题,进行了自适应增广控制(AAC)方法研究,以实现对运载火箭姿态的精确控制。在深入分析自适应增广控制系统整体构架的基础上,通过标称PID控制器设计与基于粒子群优化(PSO)的数字滤波器设计实现了刚体控制及对弹性振动的抑制;继而针对大范围干扰、不确定性和由于滤波器切换产生的弹性振动影响,设计了在线调整算法自适应调节PID控制增益,并对其工作机理与参数设计原则进行研究;然后设计干扰补偿回路和主动减载回路以减小内外扰动、弹性振动和风载荷影响;最后在弹性振动、风干扰和参数不确定性等因素同时作用的状态下进行仿真分析,验证了自适应增广控制系统能够有效应对运载火箭主动段复杂飞行环境的影响,大幅度提升综合控制性能,具有理论研究意义与工程应用价值。

运载火箭自适应增广抗扰减载控制

针对运载火箭上升过程中大干扰和不确定性影响将导致姿态跟踪误差大,以及弹性振动等附加动力学影响明显的问题,设计了自适应增广抗扰减载控制系统,以实现运载火箭姿态的精确控制。首先建立了运载火箭纵向运动模型和弹性振动模型,然后以标称PID(Proportion Integration Differentiation)控制和自适应增广控制(Adaptive Augmenting Control,AAC)为基础,设计干扰补偿回路和主动减载回路减小内外扰动、弹性振动和风载荷影响;最后在风干扰、参数不确定性和弹性振动影响下进行仿真分析。仿真结果表明,与传统PID控制相比,本文设计的自适应增广抗扰减载控制系统能够适应复杂环境的影响,可提高控制精度和稳定性,具有较强的工程应用价值。

一种运载火箭自适应增广控制器设计方法

针对运载火箭自适应增广(AAC)控制器的稳定性分析和参数设计问题展开研究。首先,在假定PD控制器稳定的前提下,证明AAC控制器的引入不会破坏PD闭环系统的稳定性。其次,提出了一种基于数量级计算的参数设计方法,实现快速高效设计AAC控制器。最后,通过数学仿真的方式验证相关算法的正确性。仿真结果表明,AAC控制器能够在刚体、弹性参数大偏差情况下实现对系统的稳定控制,证明了AAC控制器的稳定性和优越性,为后续工程实践应用打下了必要的基础。

柔性关节空间双臂机器人奇异摄动增广鲁棒自适应PD复合控制

为解决载体位姿无控柔性关节空间双臂机器人系统在外部干扰、未知载荷参数影响下关节运动控制问题,提出奇异摄动增广鲁棒自适应PD复合控制方法。以柔性关节空间双臂欠驱动式机器人及关节电机动力学子方程为设计基础,借助柔性补偿奇异摄动技术建立系统奇异摄动修正模型;针对系统外部干扰确界未知、载荷参数未知工况,为柔性关节空间双臂机器人设计由快变状态反馈控制、增广鲁棒自适应PD慢变控制组合而成的复合控制规律。仿真结果证实,所提奇异摄动增广鲁棒自适应PD复合控制方法可有效消除系统关节柔性、未知外部干扰及载荷参数影响,确保空间双臂机器人能精确执行预期关节运动任务。

一种运载火箭弹性自主辨识与自适应控制方法

针对新一代运载火箭箭体空间模态复杂、刚晃弹交联耦合严重、空间模态数据不确定大偏差导致控制参数适应性不足和弹性稳定裕度小的问题,提出一种运载火箭弹性频率在线辨识和自适应控制方法。该方法基于线性调频Z变换(CZT)完成主要弹性频率信号的辨识,并在线提取控制指令中的弹性能量,据此实现基于自适应增广控制(AAC)的控制参数在线调节,提高控制系统在不确定高阶弹性振动下的适应范围和稳定裕度,并详细分析了各项调节参数对系统稳定性的影响。仿真结果表明,提出的“CZT+AAC”方法能够较好地完成弹性稳定控制任务,显著增强运载火箭任务适应性和飞行可靠性。

飞行攻角自适应控制方法研究

针对大风区减载控制问题,提出了一种基于攻角反馈的自适应减载控制方法。首先提出一种基于动力学与攻角测量值的滤波估计方法,可有效提高空速攻角和侧滑角测量准确度;而后基于攻角测量信息设计攻角减载控制器,分析攻角减载回路对于姿态稳定性影响;在此基础上补充减载增益自适应调节模块,实现了基于飞行攻角反馈的自适应减载控制。通过六自由度仿真验证了攻角滤波估计准确性和减载控制效果,经验证,在攻角测量信息有偏、噪声显著的条件下通过多源信息融合组合滤波和自适应控制调节可保证系统稳定性,并较好地实现大风区气动载荷控制。

考虑推力损失的运载火箭主动段容错控制

运载火箭上升段易出现推力下降等动力系统故障,传统的控制方法在干扰性较大场合难以满足高精度、高稳定的控制需求。本文进行了运载火箭自适应增广控制与模糊PD控制方法的研究,并分析两者的控制特性;提出一种基于模糊规则的动态切换控制算法,通过计算自适应PD控制与模糊PD控制的输出量加权,得到系统的最优控制方案;将控制力矩重构与动态切换控制算法结合,进行火箭容错控制研究。结果表明,基于模糊规则的动态切换控制算法能有效提高姿态控制品质,相比于其他控制方法,偏航角最大偏差减小20%以上,系统响应时间至少快15%,且控制过程中未出现振荡。

一种高超声速试飞器助推段主动弹性抑制方法

针对高超声速试飞器助推段由于其高静不稳定特性所引起的低频弹性模态与刚体高带宽控制之间动态耦合问题,具有低频模态和大静不稳定度等特征,引入主动弹性抑制技术,即在传统控制器的设计基础上引入弹性振动能量在线辨识技术相结合的改进自适应增广控制技术(Adaptive augmenting control,AAC),动态改变开环系统控制增益,以降低弹性模态对舵机的影响,同时增加刚体控制系统的稳定性。仿真结果验证了该方法能够有效减小由干扰激励出的弹性模态所引起的附加舵机摆角,抑制伺服弹性耦合作用。该方法对高超声速试飞器助推段的控制具有重要的理论意义和工程应用价值。

基于弹性辨识的运载火箭改进AAC控制方法

针对运载火箭自适应增广控制(AAC)方法输出抖动问题提出一种改进AAC控制方法,该方法在AAC基础上增加弹性辨识算法来辨识系统弹性振动频率,通过设计陷波滤波器来抑制系统弹性振动,从而消除自适应增益输出抖动问题。仿真结果表明,该方法继承AAC抗干扰能力强的优点,避开AAC输出抖动的缺点,有效提高了系统鲁棒性。