基于信号辨识的运载火箭实时减载控制技术

运载火箭在高空风区域飞行时,其自身结构载荷的约束对气动载荷提出了控制要求,为了降低高空风对运载火箭飞行的影响,减小运载火箭的气动载荷,保证其在高空区飞行的安全可靠,提出了一种简单可行的实时减载控制方法。首先,通过非线性状态观测器估计方法,获得箭体绕质心运动的角加速度信号以及捷联惯组相对质心的位置,计算出箭体绕质心运动产生的线加速度信号;其次,从运载火箭上捷联惯组测量到的视加速度信号中减去箭体绕质心运动产生的线加速度信号,消除箭体绕心运动产生的影响,进而获得箭体质心位置附近的视加速度信号,参与实时减载控制。仿真验证了该控制方法可以有效降低运载火箭的气动载荷,提高了运载火箭在高空风区域飞行的适应能力。     

全向发射状态下运载火箭变结构自适应滑模控制

针对运载火箭全向发射后,系统通道间存在交连耦合问题,提出了基于解耦的变结构自适应滑模控制方法。首先建立了运载火箭全向发射姿态动力学模型;其次推导了一种工程上实用的姿态角预补偿解耦控制方法,并重点分析了残余耦合对姿控系统的影响;最后针对解耦后系统的残余耦合和火箭结构干扰,提出了变结构自适应滑模控制方法。利用Lyapunov稳定性理论,证明了控制系统的全局渐近稳定性。仿真校验了本文提出的控制方法能够实现火箭在全向发射情况下的姿态稳定。     

运载火箭飞行载荷联合优化控制技术

为了解决基于模块化研制的运载火箭其飞行剖面载荷与承载能力不匹配而导致发射概率过低的问题，提出一种基于弹道风修、发动机节流、主动减载、横向动载荷精细化四项减载技术的飞行载荷联合优化控制技术。以箭体承载能力为约束，提高发射概率为目标，多种载荷控制技术联合为手段对运载火箭进行逆向设计，可以有效提高模块化研制火箭的发射概率。以长征八号运载火箭首飞为例，该技术成功将发射概率由研制初期的33%提高到83%。     

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。     

长征运载火箭飞行控制技术的发展

介绍了新一代长征运载火箭(LMLVs)的型谱，并从四个方面对运载火箭控制系统的发展进行了综述。制导技术从开环制导发展到迭代制导，并针对大推力直接入轨和终端姿态约束要求，进一步发展了迭代制导算法，入轨精度大幅提升；姿态控制仍以PID技术为基础，采用空间模态和等效摆角的建模方法解决助推飞行段多个舱段发动机联合摇摆问题，结合自抗扰技术(ARDC)进行主动减载控制；自载人航天工程起开展系统性的可靠性设计研究，逐渐形成了以设备冗余、算法容错和系统在线重构等为特点的技术体系，促进了长征火箭控制系统可靠性的整体提升；电子系统从分立的集中式体系架构，发展为集成化的分布式数字控制系统。针对当前飞行控制技术的研究热点，本文最后总结了长征运载火箭在这方面的最新实践与发展趋势。     

基于双幂次趋近律柔性火箭滑模变结构控制

为了解决对有外界扰动和不确定参数的柔性运载火箭高精度姿态控制问题,提出一种基于双幂次趋近律滑模的变结构姿态控制算法。首先,针对弹道倾角不可测的柔性运载火箭姿态控制问题,设计了基于弹道倾角观测器的滑模变结构控制系统。其次,针对滑模变结构控制算法切换函数的影响,产生控制力矩高频抖振的问题,提出了一种具有全局固定时间收敛特效的双幂次趋近律姿态控制算法,在保证控制系统鲁棒性的前提下,保证了运载火箭完成姿态机动的速度。仿真结果表明,在外界扰动和箭体高阶弹性模态的耦合作用下,此算法在柔性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。     

基于箭体系的最佳解耦姿态控制方法

提出运载火箭姿态控制的一种最佳解耦控制方法。传统的运载火箭姿态控制，是通过对火箭在制导坐标系（发射惯性坐标系）中定义的欧拉角，形成俯仰、偏航、滚动三个独立回路的姿态控制指令，控制弹体姿态稳定、快速地跟踪指令姿态角。由于控制力矩是分别绕箭体轴给出的，而箭体轴通常与欧拉角的瞬时转轴不重合，所以造成三个控制回路的耦合（只有当偏航、滚动姿态角皆为零时才完全解耦），因此欧拉角控制的解耦问题成为许多学者的研究课题，并给出了一些解耦控制方法，但都比较复杂，实现困难。本文提出的最佳解耦控制方法是基于箭体坐标系的，该方法是根据实时确定的箭体系到指令箭体系的方向余弦矩阵，确定一组箭体系分别绕各轴的转角△θx1，△θy1,△θz1，即箭体各轴同时转动角△θx1，△θy1,△θz1，后可使箭体系与指令箭体系重合，这样便保证了解耦和最小转角的最佳控制。该方法成功地应用于大范围机动变轨控制，也将适用于其它轴对称飞行器的控制。     

大型捆绑火箭模态纵向分量对姿控系统的影响分析

针对助推段固体捆绑火箭纵-横-扭强耦合的模态特征,在小变形假设下推导了某型 固 体捆绑火箭姿态动力学模型,系统分析了模态纵向分量对箭体姿态运动和弹性变形的影响。 研究表明,模态纵向分量对箭体姿态运动影响较小,但会加大速率陀螺特别是滚动通道速率 陀螺输出信号的高频抖振,这一现象是捆绑火箭因助推器的存在所固有的。模态纵向分量容 易和部分“呼吸”模态和扭转模态发生耦合,但对横向弯曲模态基本无影响。〖JP〗     

用自动寻优压根系数求运载火箭传递函数的计算法

根据大型运载火箭的结构弹性,液体晃动和刚体运动的特性,由平台、速率陀螺和横(法)向加速度表等并联支路的传递函数零、极点,自动确定姿态系统开环或闭环传递函数多项式的最大系数项及其值,再由最大系数值和所用计算机的字长介出最佳压根系数K~*。最后用K~*进行压根,一次成功地求出姿态系统开环或闭环传递函数及其零、极点。     

运载火箭多体动力学建模与仿真技术研究

针对新一代运载火箭结构动力学与控制系统耦合强烈、严重影响火箭的飞行稳定问题,提出一种基于多体动力学虚拟样机建模与仿真的方法,有效解决运载火箭姿态动力学模型地面难以验证的困难。首先阐述了在运载火箭姿态动力学分析中应用多体虚拟样机的基本思路;然后对多体动力学模型与传统火箭姿态动力学模型在建模原理上的差异进行分析,指出引入多体仿真技术的意义;最后针对新一代火箭,提出并实现一种多体虚拟样机建模方法,仿真并验证了新一代火箭姿态控制模型与控制参数设计的正确性。本文的研究表明,航天器系统设计中常遇到复杂的动力学耦合问题,采用多体动力学虚拟样机仿真是一种行之有效的方法。     

CZ-4A运载火箭姿态控制系统设计与飞行试验

本文介绍长征四号A(CZ-4A)运载火箭姿态控制系统,内容包括: a 姿态控制系统方案和组成; b 数字控制系统设计采用的数学方法; c 数字自动驾驶仪的设计; d 箭上计算机调零; e 姿态控制伺服系统; f 首发CZ-4A运载火箭控制系统飞行结果。在CZ-4A运载火箭姿态控制系统方案中,数字式自动驾驶仪,双向摇摆发动机伺服系统和计算机调零方案均是国内首次使用,由于这些新技术的采用,使CZ-4A控制系统具有高的精度,大的适应能力,是大型运载火箭姿态控制系统中较好的方案。     

运载火箭加速度计反馈主动减载实施效果评价

针对运载火箭加速度计反馈主动减载实施效果评价，提出一种基于主动减载姿态动力学稳态分析的评价方法，在传统的“载荷侧滑角”评价指标基础上增加了“姿态偏差”、“摆角需求”和“弹道偏离”评价。稳态分析中考虑了结构干扰的偏置效应以及质心运动对风的抵消效应，重点推导了风切变对于火箭姿态动力学特征参数的影响机理。某型号案例分析结果表明，在典型“平稳风+切变风”风场作用下，主动减载技术在4项评价指标上均取得理想实施效果，并且显著缓解风切变导致的姿态参数快变现象。     

一种运载火箭减载控制工程方法

为降低运载火箭飞行中的气动载荷，在改进弹道模型的基础上，提出了一种用实时补偿对实时气流攻角和侧滑进行反馈控制的方法。研究了工程上用实时视加速度与姿态角偏差近似获得实时攻角和侧滑角的方法，并给出了控制模型。仿真结果表明，该方法能有效降低火箭的qα值，且对关机点参数的影响不大。     

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。     

前苏联洲际弹道导弹P-7控制系统研制历程

本文叙述了前苏联第一种洲际弹道导弹P - 7弹上控制系统的前期研制和试验历史 ,介绍了燃料消耗控制、视速度调节、法向和横向控制这些子系统的构成原理     

运载火箭静电带电理论研究与试验验证

运载火箭在大气中飞行会使箭体、发动机等表面带电,当静电累积达到一定量级并产生静电放电时,可能对箭上电气设备造成灾难性后果。在众多起电原因中,文章重点研究发动机喷流起电和摩擦起电过程,提出这2种起电方式的计算模型,并结合相关静电测量试验,确定这2种起电方式的等效充电电流,定量分析火箭最大静电带电电位,为指导单机设计及系统防护提供参考。     

运载火箭捷联惯组全自主对准技术应用研究

我国运载火箭发射前通常通过光学瞄准确定初始方位角,采用捷联惯组自对准解算获取水平姿态角。以可实现简易、快速发射的新型火箭为背景,在发射场阵风等干扰引起箭体低频微幅晃动的环境下,研究了捷联惯组自主对准技术。分析了运载火箭全自主对准的特点,利用以惯性系为参考基准的解析对准法和卡尔曼滤波精对准方法,对高精度全自主对准技术和其在运载火箭上的应用展开了详细论述。开展了全自主对准试验验证,结合新一代运载火箭首飞数据进行了分析。结果表明:捷联惯组全自主对准技术可替代复杂的光学瞄准系统,实现运载火箭发射前初始姿态的确定。     

基于翼伞回收助推器的遥控遥测系统设计

遥控遥测系统是翼伞回收助推器的重要组成部分,翼伞定点回收必须在回收过程中实时掌握助推器的各类遥测参数,通过遥测参数判定翼伞的飞行状态是否健康,一旦出现偏航可以通过遥控手段实时调整飞行姿态。文章介绍了一种能够实现实时采集助推器运动状态,并可以根据遥测数据对系统状态进行观察、判断,决定并执行控制权在箭上和地面自由切换的遥控遥测系统,该系统由箭载数传机和箭上天线,地面测控一体机和地面天线组成,其设计通过了系统测试和专项试验验证,结果表明:用于火箭助推器回收的翼伞遥控遥测系统设计,能够实现助推器回收过程中遥测数据采集和归航模式切换的功能,能够助力火箭助推器安全回收和定点归航。     

一种挠性航天器的对偶四元数姿轨耦合控制方法

为解决复杂的挠性航天器的姿轨控制问题,对于挠性航天器的姿轨耦合动力学建模与控制展开研究。基于对偶四元数原理,推导给出一套挠性航天器的姿轨一体化动力学模型。此种模型能够紧凑描述航天器的轨道和姿态,且能够自动引入航天器平动、转动与挠性附件振动三者之间的关联耦合作用。基于此模型设计了一种自适应位置姿态跟踪控制器,该控制器能够在航天器质量特性参数未知的情况下,对其位置和姿态进行轨迹跟踪控制,并使位置和姿态误差收敛。该自适应控制器还可对航天器上挠性附件对系统的耦合作用进行估计,进而在控制输出中对其进行补偿,提高卫星控制系统的稳定性。通过仿真对控制律进行校验,结果表明该控制律对挠性航天器控制效果良好,具有一定的工程应用参考价值。     

运载火箭推力下降后的控制力矩重构分析

针对现役捆绑火箭在飞行中发生推力突降的问题,提出了一种基于改进单纯形法的控制分配策略。利用故障前后火箭控制力矩相等的思想,将推力下降后火箭发动机摆角的重新分配问题转化为目标函数约束下的线性分配问题,通过改进单纯形法进行了有效求解。结果表明,偏航角在关机故障发生后可以迅速恢复至平衡状态,滚转角在小幅抖震后同样快速到达稳定,该方法可以有效地改善火箭突发推力下降后控制能力减弱的问题,并维持故障后火箭姿态的平稳,对运载火箭姿态重构研究具有理论意义与工程应用价值。