[发明专利]运载火箭Pogo主动抑制的自适应控制方法

说明书

本发明的液体运载Pogo主动抑制的自适应控制方法，包括以下步骤：基于建立的Pogo系统状态空间模型，采用一种解决Pogo模型奇异性问题的方法，通过特征值分析得到新状态空间下的非奇异降阶模型；采用模型参考自适应控制理论导出新状态空间下的自适应控制律；通过特征变换得到原状态空间的自适应控制律。本发明采用自适应控制理论提出一种Pogo主动抑制的自适应控制设计方法，可以更好的适应大型液体火箭空间分布模态、有效频率范围宽的要求，对模型参数变化具有更好的适应性和鲁棒性，增强Pogo主动抑制性能，从而为大型液体运载火箭的Pogo抑制提供新的方法。

技术领域

本发明涉及液体运载火箭Pogo振动抑制领域，尤其涉及Pogo主动抑制的自适应控制方法。

背景技术

Pogo振动是指液体火箭的结构纵向振动与推进系统液路脉动相互作用而产生的一种闭环自激振动。Pogo现象从20世纪60年代初双子星计划中被发现以来，一直被认定是对运载火箭和航天员的重要威胁。随着研究的深入，人们越发认识到Pogo问题的复杂性和任务依赖性，尤其大型、重型运载火箭的结构系统低频密集和模态耦合的显著特征进一步加剧了Pogo被动抑制设计的困难。因此能否控制或者抑制Pogo振动已经成为当代航天运载器的重要设计条件之一，也是人类能否进入空间飞行的前提之一。

目前工程上普遍利用蓄压器改变推进系统特性来进行Pogo振动抑制，通过合理选择蓄压器设计参数，可以调整输送系统频率，使推进系统的频率避开箭体结构的振动频率，系统稳定裕度达到要求，最终达到抑制Pogo振动的目的。随着航天技术的发展，运载火箭规模越来越大，以蓄压器设计为代表的Pogo被动抑制方法遇到了极大的挑战，由于大型运载火箭纵横扭模态频率交织在一起，这种频率窗口的设计方法已经很难找到合适的设计空间，因此传统膜盒蓄压器无法满足大型捆绑火箭的Pogo抑制要求。另一方面其柔性在飞行过程中不可调，无法满足火箭在不同飞行时刻对蓄压器的变柔性要求；另一方面受结构设计的限制，其气腔的工作容积和工作压力不能太大，变频降幅能力受到一定限制，严重限制了Pogo振动的抑制效果。

Pogo主动抑制的概念在上世纪七十年代航天飞机研制中首先被提出，其原理是通过检测火箭飞行过程中的纵向振动信号，根据一定的控制策略，按一定的幅值和相位作用于输送系统，改变输送系统的脉动特性，从而调整发动机的推力脉动特性，改善系统的稳定性。国外专家针对航天飞机在上个世纪八十年代开展了Pogo主动抑制器的设计概念研究，证明了主动抑制方法的有效性。进而采用频域最优化方法、LQG最优控制理论开展主动抑制器设计。目前国内仅有中国运载火箭技术研究院专家于2016年率先开展了某新型运载火箭的Pogo主动抑制器设计，提出了“积分+PI控制”为控制律的主动抑制方法，验证了Pogo主动抑制的有效性。

综上可以看出，目前主要是以蓄压器设计为代表的Pogo被动抑制设计，在Pogo主动抑制方面研究匮乏，仅有LQG、PD等主动控制方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种Pogo主动抑制的自适应控制方法。基于建立的Pogo系统状态空间模型，首先采用本专利发明人之前申请的专利：一种解决Pogo模型奇异性问题的方法201910645955.5中提供的方法，通过特征值分析得到新状态空间下的非奇异降阶模型；然后采用模型参考自适应控制理论导出新状态空间下的自适应控制律；最后，通过特征变换得到原状态空间的自适应控制律。

本发明提出了一种Pogo主动抑制的自适应控制方法，包括以下步骤：

(1)基于建立的Pogo系统状态空间模型，采用解决Pogo模型奇异性问题的方法，通过特征值分析得到新状态空间下的非奇异降阶模型；

(2)采用模型参考自适应控制理论导出新状态空间下的自适应控制律；

(3)通过特征变换得到原状态空间的自适应控制律。

具体的，所述步骤(1)采用Pogo系统的状态空间建模方法，建立Pogo 振动的状态空间模型，如下