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基于MPC的液体火箭发动机电作动系统伺服控制策略

胡慧 谢芷羽 王海兴 王慧 马兵兵 田原

胡慧,谢芷羽,王海兴,等. 基于MPC的液体火箭发动机电作动系统伺服控制策略[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(7):2359-2370
引用本文: 胡慧,谢芷羽,王海兴,等. 基于MPC的液体火箭发动机电作动系统伺服控制策略[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(7):2359-2370
Hu H,Xie Z Y,Wang H X,et al. MPC-based servo control strategy for liquid rocket engine electromechanical actuation system[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(7):2359-2370 (in Chinese)
Citation: Hu H,Xie Z Y,Wang H X,et al. MPC-based servo control strategy for liquid rocket engine electromechanical actuation system[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(7):2359-2370 (in Chinese)

基于MPC的液体火箭发动机电作动系统伺服控制策略

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2025.0443
详细信息
    通讯作者:

    E-mail:hh13141291049@163.com

  • 中图分类号: V221+.3;TB553

MPC-based servo control strategy for liquid rocket engine electromechanical actuation system

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  • 摘要:

    液体火箭发动机作为航天器重要推进装置,其电作动系统(EMAS)对推力调节控制至关重要。永磁同步电机(PMSM)在EMAS中应用广泛,然而,传统PI电流控制在面对电机参数变化时存在局限。为此,开展了PMSM模型预测控制(MPC)研究。建立不同坐标系下PMSM数学模型,基于MPC基本原理设计预测速度和电流控制策略,包括相应预测模型和代价函数。利用MATLAB/Simulink搭建仿真模型,对比MPC和矢量控制(FOC)。仿真结果表明:相较FOC,MPC在位置阶跃响应中稳态误差降低约99%,超调量消除,响应时间缩短约80%;在扫频输入下,具有更优的动态跟踪能力;在负载变化下,转速波动幅度减少约80%。通过电机对拖平台实验验证,MPC在输入信号变化时响应更平滑、振荡小,其对更大负载扰动具有更强的适应能力。MPC在液体火箭发动机EMAS中,对PMSM的控制性能更优,能提升系统控制效果,为相关应用提供更好选择。

     

  • 图 1  模型预测控制算法结构

    Figure 1.  Structural of model predictive control algorithm

    图 2  系统整体控制原理

    Figure 2.  Overall control principle of system

    图 3  J60TY440电机FOC给定位置和实际位置波形

    Figure 3.  Specified position and actual position waveforms under FOC of J60TY440 motor

    图 4  J60TY440电机MPC给定位置和实际位置波形

    Figure 4.  Specified position and actual position waveforms under MPC of J60TY440 motor

    图 5  J60TY1100电机FOC给定位置和实际位置波形

    Figure 5.  Specified position and actual position waveforms under FOC of J60TY1100 motor

    图 6  J60TY1100电机MPC给定位置和实际位置波形

    Figure 6.  Specified position and actual position waveforms under MPC of J60TY1100 motor

    图 7  J60TY440电机FOC下扫频位置跟踪响应波形

    Figure 7.  Sweep-frequency position tracking response waveforms of J60TY440 motor under FOC

    图 8  J60TY440电机MPC下扫频位置跟踪响应波形

    Figure 8.  Sweep-frequency position tracking response waveforms of J60TY440 motor under MPC

    图 9  J60TY1100电机FOC下扫频位置跟踪响应波形

    Figure 9.  Sweep-frequency position tracking response waveforms of J60TY1100 motor under FOC

    图 10  J60TY1100电机MPC下扫频位置跟踪响应波形

    Figure 10.  Sweep-frequency position tracking response waveforms of J60TY1100 motor under MPC

    图 11  J60TY440电机FOC和MPC转矩波形

    Figure 11.  Torque waveforms of FOC and MPC of J60TY440 motor

    图 12  J60TY440电机FOC和MPC转速波形

    Figure 12.  Speed waveforms of FOC and MPC of J60TY440 motor

    图 13  J60TY440电机FOC和MPC电流波形

    Figure 13.  Current waveforms of FOC and MPC of J60TY440 motor

    图 14  J60TY1100电机FOC和MPC转矩波形

    Figure 14.  Torque waveforms of FOC and MPC of J60TY1100 motor

    图 15  J60TY1100电机FOC和MPC转速波形

    Figure 15.  Speed waveforms of FOC and MPC of J60TY1100 motor

    图 16  J60TY1100电机FOC和MPC电流波形

    Figure 16.  Current waveforms of FOC and MPC of J60TY1100 motor

    图 17  电机对拖平台

    Figure 17.  Motor back-to-back test platform

    图 18  负载模拟用的FOC和MPC位置波形

    Figure 18.  Position waveforms load simulation using FOC and MPC

    表  1  J60TY440 PMSM的参数

    Table  1.   Parameters of J60TY440 PMSM

    转动惯量/
    (kg·m−2)
    极对数 黏滞摩擦系数/
    (N·m·s·rad−1)
    定子
    电阻/Ω
    定子
    电感/H
    永磁体
    磁链/Wb
    0.00000543 4 0.0000246 3.84 0.00272 0.018
    下载: 导出CSV

    表  2  J60TY1100 PMSM的参数

    Table  2.   Parameters of J60TY1100 PMSM

    转动惯量/
    (kg·m−2)
    极对数黏滞摩擦系数/
    (N·m·s·rad−1)
    定子
    电阻/Ω
    定子
    电感/H
    永磁体
    磁链/Wb
    0.000000920.00002791.940.000140.03
    下载: 导出CSV

    表  3  J60TY440电机FOC位置输出工况

    Table  3.   Position output of FOC of J60TY440 motor

    工况 稳态误差/(°) 稳定时间/s 超调量/(°)
    启动 0.20 0.159 24.4
    4 rad→8 rad 0.04 0.121 24.5
    8 rad→−8 rad 0.04 0.227 170.6
    下载: 导出CSV

    表  4  J60TY440电机MPC位置输出工况

    Table  4.   Position output of MPC of J60TY440 motor

    工况 稳态误差/(°) 稳定时间/s 超调量/(°)
    启动 0.002 0.019 0
    4 rad→8 rad 0.004 0.016 0
    8 rad→−8 rad 0.006 0.025 0
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    表  5  J60TY1100电机FOC位置输出工况

    Table  5.   Position output of FOC of J60TY1100 motor

    工况 稳态误差/(°) 稳定时间/s 超调量/(°)
    启动 2.0 0.405 18.4
    4 rad→8 rad 0.4 0.279 19.6
    8 rad→−8 rad 16.6 >0.5 120.6
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    表  6  J60TY1100电机MPC位置输出工况

    Table  6.   Position output of MPC of J60TY1100 motor

    工况 稳态误差/(°) 稳定时间/s 超调量/(°)
    启动 0.005 0.019 0
    4 rad→8 rad 0.080 0.015 0
    8 rad→−8 rad 0.040 0.022 0
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    表  7  对拖平台永磁同步电机参数

    Table  7.   Parameters of PMSM of back-to-back test platform

    转动惯量/
    (kg·m−2)
    极对数 额定功率/
    W
    定子
    电阻/Ω
    定子
    电感/H
    永磁体
    磁链/(N·mA−1)
    0.000028 4 64 0.89 0.00062 0.059
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    表  8  对拖电机平台FOC位置输出工况

    Table  8.   Position output of FOC of motor back-to-back test platform

    工况稳态误差/(°)稳定时间/s超调量/(°)
    启动4.23.620.5
    4 rad→8 rad4.92.630.9
    8 rad→−8 rad>200
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    表  9  对拖电机平台MPC位置输出工况

    Table  9.   Position output of MPC of motor back-to-back test platform

    工况 稳态误差/(°) 稳定时间/s 超调量/(°)
    启动 1.4 3.4 6.7
    4 rad→8 rad 4.0 2.3 14.4
    8 rad→−8 rad 7.8 4.7 18.6
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-07-04
  • 录用日期:  2025-11-21
  • 网络出版日期:  2026-01-15
  • 整期出版日期:  2026-07-31

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