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刚弹耦合运载火箭自适应改进PD控制器

江星宇 薛锋丰 蒋方华 师鹏 龚胜平

江星宇,薛锋丰,蒋方华,等. 刚弹耦合运载火箭自适应改进PD控制器[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(7):2477-2486
引用本文: 江星宇,薛锋丰,蒋方华,等. 刚弹耦合运载火箭自适应改进PD控制器[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(7):2477-2486
Jiang X Y,Xue F F,Jiang F H,et al. An adaptive improved PD controller for rigid-elastic coupled launch vehicles[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(7):2477-2486 (in Chinese)
Citation: Jiang X Y,Xue F F,Jiang F H,et al. An adaptive improved PD controller for rigid-elastic coupled launch vehicles[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(7):2477-2486 (in Chinese)

刚弹耦合运载火箭自适应改进PD控制器

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2024.0383
详细信息
    通讯作者:

    E-mail:gongsp@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V448.1

An adaptive improved PD controller for rigid-elastic coupled launch vehicles

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  • 摘要:

    针对刚弹耦合运载火箭,设计了一种具备自适应能力的改进比例-微分(PD)控制器,旨在实现对制导指令的高品质跟踪。该控制器引入自适应增广控制(AAC)模块,提升了参数调整能力,使其能同时自适应地调整比例和微分系数。此外,还融入自适应滤波器模块,其传递函数的幅相特性以滞相为主、减幅为辅,根据弹性频率的辨识结果来自适应调整滤波效果,应用于速率反馈通道时,该滤波器能有效实现一阶弹性模态的相角稳定与高阶弹性模态的幅值稳定。数值仿真结果表明:设计的自适应改进PD控制器不仅结构简单,参数易选取,还具有显著的自适应能力和弹性振动抑制效果,适用于时变系统,特别在模型参数存在明显偏差的情况下仍可以维持系统稳定,展现了较好的工程应用价值。

     

  • 图 1  自适应改进PD控制器框图

    Figure 1.  Block diagram of adaptive improved PD controller

    图 2  PD控制下开环传递函数Nyquist曲线

    Figure 2.  Nyquist plot of the open loop transfer function under PD control

    图 3  滤波器参数$ \alpha $不同取值下的Bode图

    Figure 3.  Bode plot of filter parameter $ \alpha $ with different values

    图 4  微分控制下开环传递函数Nyquist曲线

    Figure 4.  Nyquist plot of the open loop transfer function under derivative control

    图 5  改进PD控制下开环传递函数Nyquist曲线

    Figure 5.  Nyquist plot of the open loop transfer function under improved PD control

    图 6  AAC框图

    Figure 6.  AAC block diagram

    图 7  状态量和控制量的仿真结果

    Figure 7.  Simulation results of state values and control values

    图 8  增广系数仿真结果

    Figure 8.  Simulation results of augmenting parameters

    图 9  一阶弹性频率的辨识仿真结果

    Figure 9.  Simulation results of first order elastic frequency identification

    表  1  AAC参数取值

    Table  1.   AAC parameter values

    误差
    系数
    频谱阻尼器
    系数
    回归
    系数
    增益
    基值
    增益最大
    改变值
    误差融合
    系数
    2000 10000 0.5 0.5 1.5 1.0
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    表  2  自适应滤波器参数取值

    Table  2.   Adaptive filter parameter values

    IpDFT采样
    时间间隔/s
    IpDFT采样
    总时长/s
    迭代修正时间
    间隔/s
    频率预测模型
    截距初值
    频率预测模型
    斜率初值
    频率预测模型
    斜率最大值
    频率预测模型
    斜率最小值
    频率预测模型
    斜率修正值
    0.05 10 1 8.0 0.025 0.050 0 0.001
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    表  3  拉偏参数取值

    Table  3.   Deflected parameter values

    $ {b}_{2} $/% $ {b}_{3} $/% $ 2{\xi }_{1}{\omega }_{1} $/% $ \omega _{1}^{2} $/% $ {D}_{31} $/% $ R_{{\textit{z}}1}^{\text{gz}} $/% $ R_{{\textit{z}}1}^{\text{st}} $/% $ 2{\xi }_{2}{\omega }_{2} $/% $ \omega _{2}^{2} $/% $ {D}_{32} $/% $ R_{{\textit{z}}2}^{\text{gz}} $/% $ R_{{\textit{z}}2}^{\text{st}} $/%
    $ +50 $ $ -50 $ $ -30 $ $ -30 $ $ +50 $ $ -150 $ $ -150 $ $ -30 $ $ -30 $ $ +50 $ $ -200 $ $ -200 $
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    表  4  外部扰动取值

    Table  4.   External disturbance values

    扰动名称扰动形式扰动大小施加时刻
    控制量扰动正态分布0.1°所有时刻
    俯仰角
    观测量扰动
    正态分布0.1°所有时刻
    俯仰角速率
    观测量扰动
    正态分布0.1(°)/s所有时刻
    俯仰角
    状态量扰动
    突变扰动飞行第75 s
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-06-04
  • 录用日期:  2024-07-05
  • 网络出版日期:  2024-07-22
  • 整期出版日期:  2026-07-31

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