火箭姿态控制方法研究

王建国郝强

王建国郝强

（中国人民解放军91515部队海南省三亚市572016）

摘要：本文介绍了国内外学者在火箭姿态控制研究方面的一些成果和不足，然后重点从：动力学模型建立、不确定项估计、控制器设计、仿真技术三个方面介绍了火箭控制方法，具有重要意义。

关键词：火箭；姿态控制；方法；

引言

传统的运载火箭的姿态控制结构通常采用比例微分联合校正网络的方式，并随着标称飞行状态的不同再通过调整参数分别进行设计。但是，近些年来，空间发射任务逐渐向着复杂、多样的方向发展，传统运载火箭在自身重量、结构和推力方面的限制越来越明显，导致无法完成发射任务[1]。主要是因为大型捆绑运载火箭与传统运载火箭相比，在推进方式、结构和重量方面的差异较大，导致这类运载火箭的动力系统非常复杂，其运动的不确定性也更强、干扰更多，另外还存在参数剧烈摄动，呈现非线性变化等问题，这些问题将会给姿态控制器的稳定造成巨大不利影响，也是当前火箭姿态控制研究的新挑战和重点内容[2]。本文通过参考大量文献资料，结合自己的学习和工作实践，对火箭姿态控制方法方面的内容进行如下介绍。

1.火箭姿态控制方面的国内外研究情况

近些年来，控制方法的发展非常快，也出现了许多新型控制器。有国外学者通过对微小卫星运载火箭进行外干扰力和模型不确定性研究，以期解决火箭存在的刚体姿态控制问题。最后选择具有可变记忆递归性能的神经网络补偿火箭模型的外扰和不确定性，并同时借助PID控制器，大大增强了火箭姿态控制性能[3]。然而，这种方法的网络训练不足，选择的误差阈值也不够精确，因此控制系统稳定性较差，有待改进。也有学者利用动态逆思想进行姿态控制器设计，由参考模型、线性补偿器、状态观测器和神经网络在线辨识器组成的姿态控制器，控制效果也不错，但控制器包括包括辨识器、补偿器、参考模型、观测器等结构，导致系统复杂，且建模要求非常高，抗干扰能力也有待考察，所以实际应用的路程还有点长。我国在火箭姿态控制方面的研究也较多，取得了比较不错的成绩。在运载火箭完成全向发射后，耦合问题是系统通道间的常见的问题，为解决这一问题，有学者推导得出姿态角预补偿解耦的方式，设计出了一种自适应的可以变结构的控制器，达到了控制姿态的目的。但是这种控制器在结构控制模型方面的要求非常高，并严格限制参数不确定形式和范围，但由于运载火箭存在建模困难问题，两者的适应性较差，如果要使这种控制器充分发挥作用首先要解决数学模型准确选取。前面也提到了，对于运载火箭来说，因其具有的不确定性因素较多，在对其进行姿态控制研究时，要将其弹性振动频率考虑在内，尤其是摄动不确定情况。

2.火箭控制方法研究

2.1动力学模型建立

研究火箭的姿态控制，首先要解决建模问题，建模的方法有两类：牛顿-欧拉方法和拉格朗日方法。与传统火箭相比，运载火箭具有以下特点：通道存在刚体姿态运动耦合；助推和芯级会影响弹性振动频率耦合；频率摄动的存在会对运动耦合产生影响；助推和芯级存在的液体晃动会存在耦合。因为运载火箭具有对称性的特点，所以可以简化火箭运行模型。将通道耦合和惯组测量、弹性振动考虑在内，进行建模，过程为：建立刚体运动方程、建立弹性振动方程、建立惯组测量方程。

2.2不确定项估计

在火箭飞行过程中，受到参数漂移、环境干扰和通道耦合的影响是几乎不可避免的，加上火箭本身存在的弹性振动也是不可忽视的，所以，在进行火箭姿态控制研究时，必须要将这些不确定项考虑在内。微分器能够在没有系统模型的前提下，实现信号导数的估计的，并且具有普适性，是一种信号跟踪的有效途径。由于微分方程几乎可以用于描述所有的物体运动，所以采用微分器能够去掉已建模的部分，得到不确定性部分的估计值，而且还具备滤波的效果，达到降低噪声影响的目的。

2.3火箭姿态控制器的设计方法

前面提到了火箭在运行过程中受到的不确定性影响，采用微分器能够协助姿态控制。由于弹性振动频率也同时存在不确定情况，对于火箭运行产生影响，如图1所示进行控制器结构的设计。

图1姿态控制器结构设计

2.4仿真验证

在完成火箭的姿态控制器设计之后，需要借助仿真技术进行功能验证。验证的步骤有：刚体姿态控制验证、弹性频率辨识验证、姿态控制器验证。通过仿真验证就能得出在干扰力、摄动等不确定性影响下，火箭姿态控制器的可行性，从而为工程实践提供数据参考。

3.结论

火箭由于其自身存在干扰和参数变化多的问题，其姿态控制一直研究人员关注的重点。本文介绍了火箭姿态控制的方法，给出了火箭姿态控制器的结构，并对仿真方法进行了简单介绍，对工程实践具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]陈广强，王贵东，陈冰雁，等．低成本飞行试验平台的FADs技术研究[J]．宇航学报，2015，36(10)：1195-1202．

[2]郑新，杨宇和，严宝峰，等．基于误差四元数的火箭主动滚转控制技术研究[J]．导弹与航天运载技术，2017，(1)：47-50．

[3]吴东升，郑忠培，丁智坚．低成本高超声速试验火箭姿态控制方法[J]．宇航学报，2015，38(9)：945-955．

个人简介：王建国，1981年9月，男，汉，山西省大同人，本科，工程师，研究方向：导弹与发动机工程地址：中国人民解放军91515部队