考虑弹性影响的运载火箭自抗扰减载控制方法

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30319

电子电气工程与控制

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考虑弹性影响的运载火箭自抗扰减载控制方法

刘子博¹, 张冉¹(), 薛文超², 李惠峰¹

^1.北京航空航天大学宇航学院，北京 100191
^2.中国科学院数学与系统科学研究院系统控制重点实验室，北京 100190

收稿日期:2024-02-28 修回日期:2024-05-08 接受日期:2024-09-18 出版日期:2025-01-15 发布日期:2024-09-25
通讯作者: 张冉 E-mail:zhangran@buaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(92471204)

Active disturbance rejection control for load relief of launch vehicles considering elastic effects

Zibo LIU¹, Ran ZHANG¹(), Wenchao XUE², Huifeng LI¹

^1.School of Astronautics，Beihang University，Beijing 100191，China
^2.Key Laboratory of Systems and Control，Academy of Mathematics and Systems Science，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China

Received:2024-02-28 Revised:2024-05-08 Accepted:2024-09-18 Online:2025-01-15 Published:2024-09-25
Contact: Ran ZHANG E-mail:zhangran@buaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(92471204)

摘要/Abstract

摘要：

运载火箭的减载控制通过减小攻角以降低气动载荷，然而，现有的减载自抗扰控制（ADRC）方法未充分考虑弹性影响，可能导致干扰估计精度下降，甚至降低控制系统的稳定性。为此，分析了弹性振动对干扰估计及观测器增益的影响，提出了一种抑制弹性振动的改进措施，通过隔离弹性运动与刚体运动，使扩张状态观测器（ESO）的量测输入与观测模型相匹配。基于此，推导了考虑弹性振动的自抗扰减载控制系统的开环传递函数，并给出一套参数整定规则，通过合理配置减载反馈控制带宽和扩张状态观测器带宽，在保证系统稳定裕度的基础上，简化了参数整定过程。仿真与实验结果表明，该方法提升了系统稳定性，同时实现了有效的干扰抑制和减载效果。最后，通过半实物仿真和火箭飞行试验验证了该算法的可行性。

关键词: 运载火箭, 姿态控制, 减载控制, 弹性振动, 干扰抑制, 自抗扰控制（ADRC）, 飞行试验

Abstract:

The load relief control of launch vehicles reduces aerodynamic loads by decreasing the angle of attack. However， existing Active Disturbance Rejection Control （ADRC） methods for load relief do not fully consider elastic effects， which may lead to reduced disturbance estimation accuracy and even compromise system stability. To address this， this paper analyzes the impact of elastic vibration on disturbance estimation and observer gain， and proposes an improvement to suppress elastic vibration. By isolating elastic motion from rigid-body motion， the measured input of the Extended State Observer （ESO） is made to match the observation model， thereby reducing the influence of elasticity on disturbance estimation. Based on this， an open-loop transfer function of the ADRC system for load relief is derived considering elastic vibration， and a set of parameter tuning rules is provided. By properly configuring the bandwidths of the load relief feedback control and the ESO， the tuning process is simplified， while ensuring sufficient stability margins. Simulation and experimental results demonstrate that this method proposed can enhance system stability， while achieving effective disturbance suppression and load relief. Feasibility of the algorithm is validated through hardware-in-the-loop simulations and flight tests on a rocket.

Key words: launch vehicle, attitude control, load relief control, elastic vibration, disturbance rejection, active disturbance rejection control (ADRC), flight test

中图分类号:

V448.1

刘子博, 张冉, 薛文超, 李惠峰. 考虑弹性影响的运载火箭自抗扰减载控制方法[J]. 航空学报, 2025, 46(1): 330319.

Zibo LIU, Ran ZHANG, Wenchao XUE, Huifeng LI. Active disturbance rejection control for load relief of launch vehicles considering elastic effects[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(1): 330319.

图/表 23

图 1

图 2

图 3

表1

自抗扰减载控制算法参数整定规则

回路

结构

参数整定方法

姿态反馈

反馈控制律2项系数为

$k p b ¯ 3, k d b ¯ 3$

①根据标称动力学模型及轨迹，得到标称小扰动系数 $b ¯ 3$

②令 $k p = ω c 2, k d = 2 ξ ω c$ ，其中， $ω c$ 为待调参数

③调整 $ω c$ ，使得控制系统的截止频率小于弹性一阶频率的 $1 / 4$

④设计参数过渡剖面，加入过载反馈后降低 $k p$ ，保证系统裕度

扩张状态观测器

二阶ESO观测增益为

$L = β 1 β 2 β 3 T$

①令 $β 1 = 3 ω o, β 2 = 3 ω o 2, β 3 = ω o 3$ ，其中 $ω o$ 为观测器带宽

②取 $ω o = ω c$ ，根据跟踪效果逐渐调整参数达到预期的性能，调整过程中保证系统的稳定裕度，调整范围通常为 $0.5 ω c ∼ 2 ω c$

过载反馈

过载反馈系数为

k w

①过载反馈系数 $k w$ 满足闭环稳定性条件，式（16）特征值为负

②通过调整 $k w$ ，使得减载效果满足设计要求

③减载控制前后设计过渡剖面

表1

图 4

图 5

表2

表3

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

表4

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

参考文献 34

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

状态	主振型	频率/ Hz	广义质量/kg	惯组位置		舵轴位置
状态	主振型	频率/ Hz	广义质量/kg	振型	斜率	振型	斜率
满载	1阶	12	260	-0.12	-1.44	0.24	0.11
满载	2阶	21	193	-0.04	0.17	-0.17	-0.13
空载	1阶	15	150	-0.17	-0.02	0.17	0.09
空载	2阶	27	350	0.26	0.02	-0.30	-0.37

偏差类型	偏差项目	偏差范围
气动偏差	轴向力系数/%	-10~10
	法向力系数/%	-10~10
	侧向力系数/%	-10~10
	三通道气动力矩系数/%	-10~10
	压心/%	-1~1
环境偏差	大气密度/%	-5~5
结构偏差	起飞质量/kg	-60~60
	x向质心/mm	-40~40
	y向质心/mm	-5~5
	z向质心/mm	-5~5
	三轴惯量/%	-5~5
弹性偏差	频率/%	-20~20
	广义质量/%	-30~30
	振型/%	-30~30
	振型斜率/%	-30~30

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