考虑发动机推力损失的运载火箭容错控制

作     者：吴蕾 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谭述君

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：运载火箭 推力损失 容错控制 自适应增广控制 控制力矩重构 

摘      要：从国内外运载火箭的发射情况看,发动机故障是运载火箭飞行过程中的主要故障,而推力损失又是其主要表现。当发动机出现推力损失时,燃料不能按预定模式消耗,会导致火箭动力学模型参数出现大的偏差;同时,推力的变化也会导致火箭控制力矩的变化,从而影响火箭姿态控制系统的稳定性。本文针对上述问题开展了运载火箭发动机推力损失下的容错控制问题研究,主要内容如下:(1)介绍了考虑弹性振动的运载火箭三通道姿态动力学耦合模型;然后介绍了姿态控制的基本方法:PD控制和校正网络设计。在此基础上分析了推力损失对运载火箭动力学特性的主要影响:导致动力学模型参数发生大的偏差和控制力矩的变化。这些都为接下来的容错控制打下基础。(2)针对推力损失导致模型参数出现的大偏差问题,采用了自适应增广控制(Augmenting Adaptive Control,AAC)方法进行容错控制研究。当运载火箭出现推力损失时,由于燃料未按预定模式消耗,导致火箭质量特性发生改变,从而导致刚体和弹性相关系数发生大的偏差。对此,首先对刚体参数的大偏差问题开展了AAC研究,分析了AAC自适应调整的机理,给出了AAC中各设计参数对控制效果的影响规律和选取方法;然后进一步对弹性频率和振型斜率的大偏差问题进行了研究。仿真结果验证了AAC对火箭推力损失导致的模型参数的大偏差问题具有良好的适用能力。(3)针对推力损失导致控制力矩变化的问题,分别采用了控制力矩重构和AAC结合力矩重构的方法进行了容错控制研究。发动机推力损失会导致推力不平衡而产生干扰力矩,同时还会导致控制力矩发生变化。对此,结合AAC和控制力矩重构方法,提出了AAC与控制力矩重构相结合的容错控制方法,并进行研究。仿真结果表明,所提出的容错控制方法能很好的改善推力损失下的系统响应,但是需注意高增益带来的振荡问题。