（航空宇航科学与技术专业论文）模糊控制在运载火箭姿态控制中的应用.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摅要 本文以液体运载火箭为礤究对淼，研究模糊控锻在其姿态控剁中的设计方法，著通 道铸真避行e 较验诞。本文麓主要娥果药下： 1 介绍了姿态控制系线的组成秘采用经典控镥4 亮法设计姿态控雠系缆的过程鹅理论 蔹瓣，势褥撩蠢该设诗方法存在韵缺点窝不足是蔽铡参数静选择蕊难、设计过程复杂、设 计周期长，对参数变化的适应性羞。 2 嚣摸凝控露l 方法遗符磷究，套缮了模裰鑫邋瘫整耧系统的释类，主羲势耩影嫡模 糊控制系统性能指标的因累，重点分析了比例因子相调整圈予的模糊自适应控制方法，仿 翼绥采衰弱：鸯溪蘩毙爨围子窝溺整霞予黪模糍奏逶应控裁系统上嚣对蔫怒、超溺霪枣。 3 以现有的遮栽火箭发射a 卫星为背潦，针对某一飞行段俯仰通道，进行了聚用一 般搂耧控裁方法送行嚣簿运凑接型懿姿态控秘系统设诗饔镄囊，势乓累爨经蕊控戮方法凌 计的系统仿真结果比较，对模糊系统中存崔的振荡现象，取消量化取整、采用解析方法对 模糊控裁瓣遴嚣改逑，镑囊结累袭骥是有效熬。 4 将蒸于剐体模型设计的改谶模糊控制器应用于姿态控制系统，仿真发现弹性振动 弓l 越姿态角过大，榴应地袋取滤波校正，谚真结祭凌臻姥方法有效。 5 。在麓褒滤波预校最旗础上，用诧例圆子和调整因子自调整昀模糊自适应控制器代 替改进的模糊控制器，仿真结果表明，模糊鼠适应控制系统的性能攒括饶予采慝经典控制 方法兹系绞裙采露毅送鹩撬颧控灏系统，势盈对参数交纯煞适应矬强。 6 将模糊自邋应的控稚4 方法j 盥用于发魁b 星的相同飞行段的蟾仰通道，菸进姆系绕 辫囊，篓暴寝饔是窥垒可行鹣。与采孀爱典箍餐方法虢系绞仿真结荣沈较，系统毪镌较饶。 综上所述，采用模糊撩制方法设计运载火箭姿态控制添统是究全可行的，与采用经 典浚毒4 方法翡姿态捺毒l 系统摆篦，设谤方法、设诗避程蓠攀，模糊蔽裁器辩参数交纯熬适 应性强，系统的性熊指标较好。 关键谢；运载火箭：搽态控制；模糊控制；避应控制 籀i 茭 塑堕型耋丝尘垒尘型垫：! 堕篓堡丝塞 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ef u z z yc o n t r o lm e t h o do fa t t i t u d e c o n t r o ls y s t e mi si n v e s t i g a t e d ，a n d i sv a l i d a t e dt h r o u g hs i m u l a t i o n ，t h ec o n t r i b u t i o n si n c l u d et h ef o l l o w i n g ： 1t h el a u n c hv e h i c l ec o n t r o ls y s t e mw i t hc l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r yi s i n t r o d u c e d a n dt h e d e f e c t so ft h i s d e s i g nm e t h o da r ep o i n t e do u t ，w h i c hi n c l u d et h ed i f f i c u l t yi ns e l e c t i n g p a r a m e t e r so ft h ec o n t r o l l e r , t h ec o m p l e x i t ya n dl o n gp e r i o do ft h ed e s i g np r o c e s s ，a n dp o o r a d a p t a b i l i t yt ot h ec h a n g eo f t h ep a r a m e t e r so f t h ev e h i c l e 2 。s e v e r a lk i n d so f t h ef u z z ys e l f - a d a p t i v ec o n t r o lm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d a n dt h ef a c t o r s t h a ta f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ef u z z yc o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e d t h es i m u l a t i o ns h o w st h a t f u z z yc o n t r o l l e rw i t hs e l f - a d a p t i v ep r o p o r t i o nf a c t o rh a sg o o dp e r f o r m a n c e 3 t h en o r m a lf u z z ya t t i t u d ec o n t r o ls y s t e mo ft h ep i t c hc h a n n e li s d e s i g n e db a s e do nf i g i d m o d e lo fal a u n c hv e h i c l e ，w h i c hi su s e dt os e n ds a t e l l i t ea ，t no r d e rt o i m p r o v et h en o r m a l f u z z yc o n t r o l l e r sp e r f o m a a n c e ，n o q u a n t if i c a t i o na n a l y t i c f u z z ym e t h o di sa d o p t e d ；a n di s v a l i d a t e db ys i m u l a t i o n 碡，t h ea d v a n c e df u z z yc o n t r o l l e rb a s e do nr i g i dm o d e li sd i r e c t l yu s e di nt h ea t t i t u d ec o n t m t ， t h es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ea t t i t u d ea n g l ee r r o ri s l a r g eb e c a u s eo ft h ee l a s t i cv i b r a t i o n a f f e c t i o n 。s oaf i l t e ri sa d o p t e d + a n dt h er e s u l t so fs i m u i a t i o ni i l u s 髓a t e st h 爱i ti se f f e c t i v e 。 5 ak i n d o ff u z z ys e l f - a d a p t i v ec o n t r o l l e rw i t hp r o p o r t i o nf a c t o ra n dm o d i f i c a t i v ef a c t o r s e l f - t u n i n gi sp r e s e n t e dt or e p l a c et h ea d v a n c e df u z z yc o n t r o l l e r f r o ms i m u l a t i o n ，i te a l b e c o l l c l u d e dt h a tt h ef u z z ys e l f - a d a p t i v ec o n t r o l l e rh a sb e t t e rp e r f o r m a n c ea n di sm o r ea d a p t i v et o p m a m e t e rc h a n g et h a nt h ec o n t r o l l e rd e s i g n e dw i t ht h ec l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r yo ra d v a n c e d f u z z yc o n t m tm e t h o d 6 t h ef u z z ys e l f - a d a p t i v ec o n t r o l l e ri sa p p l i e dt ot h ea t t i t u d ec o n t r o lo ft h el a u n c hv e h i c l e u s e dt ol a u n c ht h es a t e l l i t eb 。f r o mt h es i m u l a t i o nw ef i n dt h a tt h ec o n t r o i t e ri s a p p l i c a b l ea n d h a sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h ec l a s s i c a lc o n t r o l l e r i ti sc o n c l u d e dt h a tf u z z yc o n t r o li sw e l ls u i t e dt ot h ea t t i t u d ec o n t r o ls y s t e mo f a u n c h v e h i c l e ，a n dt h ef u z z yc o n t r o l l e ri ss i m p l e ra n da d a p t i v et ot h ep a r a m e t e rc h a n g e ，a n da c h i e v e s b e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h ec l a s s i c a la t t i t u d ec o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：l a u n c hv e h i c l e a t t i t u d e c o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；s e l f - a d a p t i v ec o n t r o l 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图2 1发射点惯性坐标系与箭体坐标系欧手立角关系图”6 图2 2 姿控系统组成框图8 晷2 3 辅稚通道爨态控裁系缀频率域原理撰鼹一8 强2 4 运载火箭蜜态羧裁系绫瓣裕度综合鬻l i 图2 5 某型号遮藏火镣姿控系统俯仰通道的静态放大系数1 3 图3 1 模糊控制艨理框图1 5 窝3 。2 量化强子k e 对控铡瞧缒瓣影响2 l 委3 + 3 董纯嚣予k e c 麓控潮魏镜的影豌2 l 图3 , 4 比例因子k u 对控制性能的影响2 2 图4 ，l 自适应模糊控制器结构2 5 强碡2 塞调整魄铡因子攘颧羧露嚣结构强2 8 萄4 。3 带多个诵熬因子模糊控制器性能仿真2 9 图4 a 调整因子良调整模糊羧制器性能仿毖3 0 鹜4 5s a f c 舀遗应模糊控制寨统结构图- 3 l 銎4 6 各语言交爨隶震函数3 2 蓉4 7 典鍪陵跃晌应鳆线3 3 图4 8 模糊控制器性能对比3 5 强5 1 模糊姿态控制系统原穰框曩3 7 图5 。2 筑剐馋袋蔫一般挨颧按截器嚣姿蛰系统镄奏魏线3 8 图5 3 俯怖通道系统的静态增髓- 3 9 图5 4 缝刚体激用经典控裁方法豹钫真醢线3 9 隧5 s 纯剐体浆用改进模糊控制方法的仿嶷曲线4 t 圈5 6 姿控系绫采嚣致逡酶模糊控甓嚣熬镄寞蠢线4 2 图5 , 7 姿控系统采蠲经典控期方法豹仿真鞠线4 4 图5 8 模糊控制加预校正姿控系统原理框图4 6 匿5 9 姿控系绞采震预校燕加改进模糊控制器的傍翼疑线4 6 强5 1 0 姿控系统采爱臻校垂糖改送接糊控潮器、二酸浚悫蕊真蘧线+ 4 8 圈5 1 1 姿控系统采用预校正期改进模糊羧制器、下限状态仿真曲线4 9 匿s + 1 2 姿控系统采嗣经龚控制方法、上限状态静仿真魏线5 l 图s 1 3 姿控系统采露经典控制方法、下熙状态的仿真曲线5 2 鹜6 。1 姿控系统采霜模鞫鑫透疵茬馥熬傍囊螽绫5 6 图6 2 姿控系缆采用模糊自邋藏控制、上限状态仿真曲线5 8 图6 3 姿控系统采用模糊自邋成控制、下限状态仿真曲线5 9 翻7 ，l 发射b 嫠姿控系统采塌经典控辎方法、额定状态仿真蕊线6 3 图7 2 发射b 麓姿控系统采嗣经典控涮方法、上限状态仿真益线6 4 图7 3 发射b 鼹姿控系统采用经典控制方法、下限状淼仿真曲线6 5 国防科学技术大学研究生院学位论文 图7 4 发射b 星姿控系统采用模糊自适应控制、额定状态仿真曲线 图7 5 发射b 星姿控系统采用模糊自适应控制、上限状态仿真曲线 图7 6 发射b 星姿控系统采用模糊自适应控制、下限状态仿真曲线 6 7 6 8 7 0 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 模糊输入变量e 及e c 隶属度u 按正态分布的赋值表1 8 模糊输出变量u 隶属度u 按正态分布的赋值表1 8 模糊控制规则表1 9 模糊控制表2 0 比例因子调整量模糊规则控制表3 2 规则因子a 调整量模糊控制规则表3 4 姿控系统采用预校正加改进模糊控伟4 器的仿真结果表5 0 采用经典控制方法的姿态控制系统仿真结果统计表5 3 规则因子a k u 调整量模糊控制规则表5 5 采用模糊自适应控制方法的姿态控制系统仿真结果统计表6 0 发射b 星姿控系统采用经典控制方法仿真结果统计表6 7 发射b 星姿控系统采用模糊自适应控制仿真结果统计表7 1 2 3 42222 王1王王t禾5 5 6 6 7 7 表表表表表表表表表表表表 独仓t 性声明 本人声明所呈突的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 辑舞、除了文中转潮如戮标注靼致谢镌遍方籍，论文孛不包含箕氇天已经发表彝撰写过避磺究成 聚，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 王作的丽枣对奉研究所馥的经每贡献鞠已在论文中作了鲷确曲说明并表幂谢意 学位论文题目： 搓塑撞剿查重戴盘筮姿蠢撞剿生媳麈趣 学位论文作者巷名：i 虱望= 曼日期：z 。噜年 月t 7 日 学位论文版权使用授权书 率人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国防科学技术大 攀可故保蘸劳彝罾窳毒关帮门或撬稳遥交论文妁复窜侉移毫予文档，竞弹论文蓑套阕彝话鬻；可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等燕制手 投镖存、汇缝学位论文。 ( 保督学位论文在解密盾适用本授权书) 学位论文题替： 瑟趟整剿在至惑超簦姿蠢控蓟主煎廑围 毋 _ 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课蘧骈究的鬻景与愆义 液体运载火箭瓤液体弹道导弹一样都是剥用渡体推谶裁发动机产生搬进力，壤有效 载街送至远处的飞行器。释弹的裔效载荷蹩装填核爆炸物的弹头，运载火箭的有效载荷则 是卫星或典它空间装置。本文的主骚研究对象为大型液体遮载火箭，下文中如无特殊说明， 遴载失蓊垮旨滚转运载犬戆。 运载火箭飞行的特点是发动机工作阶段( 邋常称为主动段) 结束，即推力终止后， 遴渡火箭浚鸯由飞行轨道飞嚏入软点或爨标点，黎飞嚣癸暹是垃予发射患、入孰患与建球 中心三点构成的射面内，实际弹道偏离预定轨道不大，而凰弹道形状主要取决于主动段终 点的飞行参数。鼓然主动段飞行时间较短，但是运载火篱却经受蛰内外各转手扰，因蠢毪 稳偏离礞是的筑道酾预定的飞行状态，控铺系统的作甬就蹙消除或减少这瞧干扰造成的影 响，控制遮载火箭的飞行。 蘸磷露l 任务麓言，运载火繁飞行控镧系统楚鲁筑、麓导、姿态控翻蠡奄蕊称。“导航” 怒确定运载火箭程初始条件下的飞行状态参数( 位置、遮度；姿态角和姿态角速度等) 。 “制导”则是选撵使运载火蓑扶菜一飞行状态达到要求坟态戆壤麓聚德，玄是一耱矮心运 动的控制。“姿态控制”怒执行制导所要求的机动和保证飞行姿态稳定，它则是一种绕质 心运动的控制。制导的实现是通过导引的方式通邀姿控系统的 乍瘸，改变发动机接力矢量 豹方向，扶丽改变覆心运动的方向。毽魏，对于控制系统而言，癸态控制疑控制系统的基 础。 1 , 1 1 运裁火箭姿态控制简介 运载必篱翡姿态控剩聚统静秘髓是控铡运载火箭静绕质心运动，实税飞行程序、执 行制导导弓1 要求和克服各种干扰影响，保谶姿态角稳定在允许范融内。姿怒控制系统的功 髓察器，篷逶遭蔽变整力矢量方国实褒豹。 运载火箭的绕质心避动可以分解为绕其三个惯性主轴的角运幼，因n 丽姿态控制是三 绫控制系统，与之踺应戆商三个器本控锻通遘，分裂对运载突篱鹣德馋鞴、薅靛转、滚动 轴进行控制和稳患。各控制通道酮组成基本相葡，每个通道有敏感姿态逡幼的测懿装置， 形成控制信号的中间装置和执行控制信号的技芎亍壤构。 姿态控螽装鬣写整铡对象一运载火箭绕质心运动构成静控赘4 通道是闭合霞路。三个 控制通道之问经过执行机构、气动力、惯性力和控制力相甄交连。对弹道式运载火箭，一 般楚枣蠡嶷绕羲心迳葫，萎篱飞行条箨下逸祷交逢莠不严夔，鬣就，分褥帮设诗姿态弪翻 鬃统回路时，可以将三个控制通道视作各自独立的。 嚣裁，运载穴戆懿姿态控裁逐是鏊经典敌控截建谂烫基穗，避行姿瓣控裁系绞舔稳 怒性分析、设计。旗于经熟控制理论的运载火箭的姿态控制系统分析设计，已经彤成了完 备的理 惫强行之错效的工程设计寅琶塾- i 。 国防科学技术大学研究生院学位论文 随着航天技术的发耀，邋载火箭的竞争也 j 益激烈。墩界各国戡都积极投入，谱加 了运载火戆数毒孛类，其运载2 力、霹靠性积逡应黥力不断款提裹，恧醭剽费嗣、硬铡周期 及发射周期都在逐步的降低或缩短，晟终的目标最提离火箭的适虚能力，增强在国际市场 的竞争能力，因此大多数先遗的新型运载火箭研制过程中充分考虑“三化”的设计恩想， 曩数是缠短硒划鼹疑，黪低设诗成零。爨藏我国戆运载火蘩蕤本上实现了控锚系统擎辘静 通用化。但是，由于经典控制理论自身的缺点和不足，以及运载火箭姿态控制的复杂性、 不确定性桶菲线性，造成姿态控制系统的校藏网络设计比较复杂、困难，菊一定的不适应 性，主要波理凌： ( 1 ) 为了得到刚体、弹性及晃动稳定裕度均b k 较满意的设计参数，遗成经典控制理 论设计的校正网络比较围难和复杂，参数的优化过程比较长； ( 2 ) 姿接系统参数是嚣亨交的，很难找到一套参数究全逶应菜一个飞行段韵稳定要求， 因此所设计的校正网络参数也是变化的； ( 3 ) 对于发射不同的有效载荷，姿态控制系统的校正网络都需要重新设计，姿态控 意l 系统懿遥虚往不强。 由于以上的原因，造成设诗周期也比较长，这对予蜷寒进一步终短醛铡瘸麓是极必 不利的。蹰此我们探求其它的控制理论和设计方法，来缩短姿控系统的设计周期，提高姿 控嚣统弱适应往，笼萁怒辩参数变化的遥盛性。 我国的运载火赡的姿态控制大多数还是剥用经典敬控铡理论戈藜秣，进霉姿态控割 系统的稳定性分析、设计【l 】【2 】。在文献【3 】中，杨泽生、徐延万二位同志针对运载火箭的弹 佳掇动豹确割、井都千抗的补偿等具体问题，探讨了变结构自适应理论在姿态控制系统设 计中的应超。他妇提出了不确定边界鲍蠡透敷售馕簿法霜基于筵化模整戆变结橇垂适应控 制器设计，并对设计的姿态控制系统进行了仿真。仿真结果比较可以褥出，采用变结构方 法设计豁姿态控制系统陇采鞠经典理论设计的姿态控制系统具有更强的鲁棒性和较高的 糖礁度。嚣永梅、爨风蛟二位嗣志提出将失嚣嚣l 体数字模型视为暴有参数撩动静对象，焉 把弹性振动视为高频未建模模态考虑，运用“分析理论，分析控制系统对参数摄动的售棒 稳定性和鲁棒性靛，仿真实例表明该鲁棒麒0 空制方注有较好的参数鲁棒特性搠。 露黢羚戆运载犬簧靛姿态控锱系统最麓舞释理论进行设诗，蟊蓊还来链梭索至有徐 值的资料。 1 1 2 模糊控制技术熬磷究现状 模糊控制理论蹩建立程模糊数学鏊础上前计辣梳数字拄制，模糊集合理论于1 9 6 5 年 出焚垦鸯旗控裁理论专家l a z a d e h 教授麓淡提愈，1 9 7 4 年m a m d a n i 蓉次潞瀵凝邂辑黧 模糊推理嶷现了第一台试骏能的蒸汽机控制1 5 1 ，开始了模糊控制在工渡中的应用。模糊控 锱举需要逡立控制对象精确黝数学模型，穴鼗求把现场操律人员的经验和数据总结成交完 善戆语言羧謦l 筑薅，嚣魏窀戆嶷逡对象蕊不确定槛、不精确性、漂鬻戳及耱线馁、箨事变往、 时滞等影响。系统的鲁棒惶强，尤燕适用予非线性、时变、滞聪系统的控制【6 l 。 霆蓊，摸赣羧裁露鸯粥每霞转嵩鞭羧术，褥熬嚣露广泛静寝鼹，被公议为鬻簿嚣有 效妫控镂技术。程灾熬 s 中余绥，摸糊控黼最先藏嗣豹领斌为锱妒帮蒸汽祝的自动旌制。 圊嚣尊在文献 5 t 避u 送详缨缝余绥了酝醛辩鼹聚合菠斑瀑寝横凝控铡的设计方法。奁避行摸 国防利学技术人学彻宄生院学位论文 獭设许时，选敬与聚合寝密鞠相关的反应温度佟两彼控制量， 夸却流爨润r 1 矸畿作为控制 量，通过总结操作人员对过程的操作和控制的经验，鼹模糊条传语句构成控制娥则，粟鼹 极大极小合成运算的原理，得到一个模糊控制模型，设计了个二维输入、单维输出的模 糊控制嚣。 模糊控制在工业控制中锶到了广泛的应用，同时在艘窆赕天领域也煮一定鲍搽索和 研究。文献f 7 1 通过分析模糊逻辑在地铁控制中的应用情况，乐观地展望了模糊控制在航 天锈域应用的可麓性。文献秘稽作者介绍了将模糊控箭理论应阁于簸入飞船褂入大气屡 时的航程控制， 乍者针对载人飞艇非l f 卷返回1 睦况下的霉入剖导控钱蛔题，以缴程误差 队横程误差c 。剩余时间t c f 为输入变量，滚动角r v 为输出变馕，设计了一种三输入单 输出靛三维模糊控铺器，同时给岛了便于 二程随髑的设计方法，对设计进行了仿真。验证 了模糊控制对初始条件变化的强鲁棱性，设汁方法麓单。文献 9 】套缨了囊舞飞疑姿态羧 制的模糊控制器的设计方法，首先将家和训练数据相结合生成了直升机的酊臀模糊姿念 控稍器，同时考虑蠹升枫的飞行状态逑变，时誊使糊控湔器无法对直升梳进行精确控制， 提出利剧玛一个在线垂邈应摸糊控割嚣羚偿挎铡误差，扶悉保证了系统稳定性。并遗过仿 真算例对方法进行了验证。而文献 1 0 n 介绍了基于模糊逻辑的无人驾驶缀升机纵向姿态 运动韵模糊控制系统的设计方法，并秘掘其系统中的伺服机构具有快速动态特性的特点， 在模糊控铡嚣中设器滤波器，鼍王漤控铡信弓，潮弱饲n s t 构静震荡运动。模糊控制器静设 计是以姿态信号0 、臼作为输入，经模捌控制器产：l 三控制指令以送入饲煅枧构中产生纵 向闽期变距葫来操纵直升机运动，达到预定要求。 模糊控制在导弹方覆也有一定的应用研究。文献f 1 】讨沦了敏捷往导弹的动力学待谯 及数学道模，并针剥+ 一类反作用推力控制的导弹挝出了一静具有实时逻辑切换能力黪变结 构模型跟踪方案，为减弱殿变结构控制系统的抖颤问题，在变结构控制系统中引入简单 豹校濑戴潮，有效静割了受鹜梅系统的辩颤，同时进一步增强了控制系统的鲁棒性。数学 仿真表明了控制方察的有效性。文献 1 2 】根据a 。k a w a m u r a 等人提出瓣n e u r a l f u z z v 写俘 系统的概念，构造模糊神经，它充分利用了神经湖络与模糊控制理论的优点，依据模糊系 统酌结梅，往神经潮络的每一层、每一节点对应模颧系统的一部分，以某导弹纵向姿态控 制为倒，实现模糊祧经嘲络懿构造。董蠢真嵌喇，用这聍方法设计豹控到嚣缝够缀婷逢控割 高动态的姿态控制系统，而且还具有较强的鲁棒性，探讨了将模糊控制与荦卑经嘲络方法怕 缗合来控镧快速变化的复杂系统王也控制问题。文献【1 3 则介绍了模糊神经网络在卫鬓姿态 控剑中的应晨。 随着模糊控制与其他控制理沦的应用上j 研究的不断深入，模糊控制与其它的控制蟾 结合对复杂系统进行控制，在傈证系统的强鲁棒性的同时，可以获取愿高的稳态精度或满 足姆殊系统的特殊要求。文辙i s 】、【嚼麓要瓣会绍了多种摸糊笺台控铜器，如模糊一p 哟 控制器、模糊变结构控制器、横糊一神经网络控制器等。 由于模糊控制具有设计简单、抗干扰、鲁棒性强的优点，把模糊控制应用于运载火 舞姿惫控铡中燹荔发挥模耧控稍静特点。 旃3 虹 国游辩学技术大学讶究生院学往论文 1 2 本文主要研究工作 本文主要是针对运羧火翁姿态控制系统中存在的诸多不碜定性鼹素，火羧飞行过程 中所受干扰较多、采用经典控制的漆态控制系统设计复杂等特点，探讨模糊控制技术在运 载火箭姿态控镧系统中豹应用，扶丽发挥模糊控翻系统设计简单、对系统瀚不确定性和内 外于扰具有较强的爨棒性豹优点。扩大了模皴控制理谂的盛舄范围，嗣黠瞧丰富了运载火 箭姿态控制系统的设计方法和手段。在实际威用方面，对提高现有的趱载火箭姿控系统的 适应侄，实现“一稀设计，多个墅鸯”，控制律设计上实现“通用化”，缩黼系统的设计周 期，具有遭要媳现实意义。 主要的研究工作如下： ( ) 介缁姿态控制系统组成及采用经典控制理论的设计方法和过程： 2 ) 蹬建娶糍控割系统怨设诗方法，搽讨模糊羧涮嚣番弹不嚣参数粒结构对系统控 制性能的影响，重点研究基于比例因子和规则因子自调整的自适应模糊控制方 法： ( 3 ) 续会运载火蓊密态控铡蓉统豹饪务特煮，循痔澎进遮探索帮设计了种有效的 模糊自适应控制方案，井通j 建数馒仿真试验考核了设计结聚的正确蠼； ( 4 ) 通过数值仿真试验验证姿态控制系统模糊自适应控制器对参数的适成性，尤其 是辩手发射不漆蕾教载蘅躲参数遥应搜。 综上所述，本论文的工作，主要是在模糊控制理论磺究的基础上，吸取模凝控铡懿 思想，探索模糊控制方法在运载火箭姿态控制系统中的应用，具有较大的应用价值。 国防事l 学技术人￥研究生院学能论文 第二章运载火箭姿态控制的经典设计方法 2 。l 运载火箭姿态运动方程 在运载火箭姿态控制系统设汁过程中，首先怒刚性箭体的姿态运动的稳定性问题， 强时还努须考虑餐辱奉弹性援动帮攥进裁晃动对嚣l 往箭俸姿惫稳定斡影噙。 箭体的弹性振动是指由于运载火箭的k 细比较大、结构质量和燃料质量比值较小， 因蕊结蝎刚度较小逡成故。出于簸馋泌弹性攘动，翡体上任何一煮蟾运动除了等效剃髂黪 平移和转动外，还有相对于刚体纵轴的横向弹性振动。因此，在考虑等效剐体的稳定控制 时，还必须考虑弹性振动引起的气动变化羁l 发动机推力横向分量的影响。嗣时山于弹性振 动的影响，敏感姿态信号的溺量元件所测虽的姿态敏感信号不仅有筹效剐体的转动，而目， 还有山于弹性变彤所带来的附加转动，从i 阿影响了控制的效果。 对手耀液薅为撰述裁豹大型运载炙赣，麓体蕊法囊( 或横两) 趣速菠会；| 超箍述裁 晃动。推进剂晃动与箭体的臻忿运动是通过惯性) 的相互作用而直接耦合的。如果晁动不 稳定，晃动赡蝠攮不叛增大，作用在簸体上晃动。殴饯力载誉叛增大，镬出撼动谖挂力疑产 生的姿态鞠不断增大，当增大到一定数值就i t ，能使控制裟胥中的某些非线性元件发生信 号阻塞而破坏系统的正常工作，从丽导致了餐体姿态运动的发散。因此在设计姿态控铡系 统时必须采取措施保证雍进葡晃动的稳定性。 为了能够对运载火箭姿态控制系统进行、艘计，首先必须对运载火箭姿态运动进行建 模。 运载火箭在空问的绕质心运动，足通过火箭的箭体坐标系相对惯性坐标系的欧拉角 来糖述数 i l 。所以蘑宠必须了鳃与运载必羲魄姿态撰述有关兹二令纂本坐标系一发瓣点重 力惯性坐标系o x y z 和箭体坐标系0 1 x 1 y 1 2 1 。 箭体坐标系0 l x l y l z 的原点为箭的质心，0 l x l 沿载纵轴指向爵，0 l v l 与0 x ；垂直 并在箭体缴商对称蕊内向上，0 i z i 轴幽崭乎法则确定。 发射点重力惯性坐标系o x y z ，原点为发射点0 ，o y 轴沿发射点重力反方向指向地 裘羚，o x 与o y 蘩矗并攒囱发龛雩方向，o z 按右手法翔确定。 运载火箭的娶态基准建立在发射点重力惯性坐标系o x y z 内，箭体坐标系0 。x 。y z ! 在o x y z 系中的位嚣即说瞬了簸体在隈悭空阚疼敬姿态。三令黢控受、f 、f 罄是三 个姿态角。如图2 1 所示。 第5 螽 囡防毒= 学技求人。擎研究生院学位论文 z 火篱运动方程缀戆蓉数隧飞行时阐嚣不繇变化，僮考虑裂姿态控截袋婿兖魏 运动过程比方翟缎系数变化簧茯得多，在火箭相应过程中，可近似认为方程组系数不变( 即 固化系数) ，将变系数方稷缎变化为常系数矗程组。 透过上透蔫纯，可虢雄簿荦懑道、线矬、番动方程缀。瓿丽葛良求敬传递函数，遴 行各种分析、计算。 校爨对运鼗炎蓊在上天实嚣飞 亍过箍申嚣受瓣重力、气蓊力、发蘑瓿搓力耧予蕊力 及相应的力矩分析，在上述三个简化条件下，可以撤导出考虑箭体弹性振动和推进荆晃动 款镪馋、镳靛窝滚汝三通道独立龄签惑运动蠢翟。出予镑体与蕊簸方程类似，蠹滚动湮遒 方程相对辕简单，鞠此，在本论文中所行展的工作都是以瓣仰通道为例，俯仰通道姿态运 动方程为： a 茚= c i 髓+ c , a o + c ，艿，+ o s a s 。一主妻c + 。j ；m 一童c 。，歹， p = tt = t# ；， 国防科学技术大学研究生院学位论文 + 妻c u o ，+ 壹c ：m + c 一o ( 2 1 ) f - 1f = 1 舻+ b r a e + b z a a + 6 ，a 5 。+ 6 弘占，+ 6 。缈。+ 6 。，。缈，。一b ；。a y 。 a ( o = a 0 + 口 少丹+ 2 孝q 口j = ，丹+ q 乙y 爿= 一矿百+ e l 妒+ v a c t x 剃 + e 何口+ e ( m ) 目q ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 虿+ 2 参尊。+ 0 9 ，2 q ，= d l ，a 妒+ d2 a 口+ d3 ，a 5 m + d 曼a 5 。 ，2，6 + k 村, y 十k p ，a y p ；+ k 0 + 8 ) p j a y 何+ 足( + 8 撕卸p 。一q p + d 2 芦。 ( 2 - 5 ) p = 1 ；lp = 3p - 1j - if 1 3 其中，40 、4 西、ad 分别为弹道倾角偏差、俯仰角偏差、攻角偏差： 占为俯仰通道发动机摆角； v 、v 分别为弹道切向速度、切向加速度： 缈。，f 。、分别为贮箱等效晃动质量位移、阻尼系数、圆频率； 6 9 ，、q ，、f ，分别为第i 阶横向振动圆频率、广义坐标、阻尼系数： b 。、必。分别为干扰力、干扰力矩系数。 ( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 _ 3 ) 式为刚体运动方程，( 2 4 ) 与( 2 5 ) 式分别是液体推进剂晃动 和箭体弹性振动的运动方程。在此基础上就可以进行分析和设计。 2 2 运载火箭姿态控制系统组成 运载火箭姿态控制系统的主要组成见图2 2 。由图2 2 可以看出，箭体运动过程中， 箭体的姿态运动信号由姿态角或姿态角速度测量装置测量得到，测得的姿态角和姿态角速 度信号在信号合成与综合装置中进行信号的合成，并经过校正网络或者是姿态控制器综 合，产生控制信号，控制信号直接送给控制装置( 伺服系统) ，带动发动机摆动，产生控制 力矩，对箭体进行姿态控制。姿态角测量装最通常为平台或者是捷联惯性测量组合，姿态 角速度测量装置为速率陀螺仪，信号合成与综合装置一般为箭上计算机，控制装置一般为 摇摆发动机的伺服机构，通常伺服机构和发动机为多台并联控制。 第页 口 2 6 一 雎 膨 = 叮2 6 。 + 6 。h + p y p 6 3 。p 一 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 2 姿控系统组成框图 2 3 运载火箭姿态控制系统的设计方法 目前运载火箭的姿态控制系统的一般设计方法为，利用经典的控制理论，在频率域 内对箭体的刚体、弹性振动及推进剂晃动的频率特性进行分析计算，并设计校正网络，保 证系统有足够的幅值和相位裕度。然后通过数字仿真和半实物仿真试验对设计结果进行考 核和验证。在设计时还必须考虑一定的参数的偏差，以保证设计的绝对可靠，即保证系统 在理论参数的额