基于线性自抗扰的固液变推力发动机控制器和控制方法

1.本发明涉及火箭发动机控制技术领域，尤其是涉及一种基于线性自抗扰的固液变推力发动机控制器和控制方法。


背景技术：

2.一般的固液混合火箭发动机利用固体燃料与液体氧化剂通过化学反应产生推力。固体燃料以特定构型被浇筑在燃烧室中，液体氧化剂通过挤压式或泵压式增压，经液路输送系统送入燃烧室，与固体燃料产生化学反应，产生高温高压气体，经喷管加速，形成高速低温气体，向后方喷出，从而产生向前的反作用力。
3.固液混合变推力火箭发动机作为其继承与发展，具有依据需求对发动机推力进行调控的功能，一般通过实时调节液路输送系统中的阀门开度，实现对氧化剂流量的调节，从而影响化学反应过程，控制反应释放的能量，最终实现控制发动机推力的功能。
4.当前固液变推力火箭发动机控制技术具有如下缺点：1.与液体火箭发动机不同，固液混合火箭发动机具有氧燃比会随氧化剂流量和发动机工作时间变化而变化，而传统固液混合火箭发动机一般将氧燃比视为固定值，造成控制效果与理想效果存在偏差；2.由于经过可变文氏管后，液体氧化剂会经过喷注器，产生压降，导致喷注器前压力与燃烧室内的压力不一致，使得控制精度下降。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于线性自抗扰的固液变推力发动机控制器和控制方法，以缓解现有技术中存在的由于氧燃比不确定及压差导致的控制不精确的技术问题。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种基于线性自抗扰的固液变推力发动机控制器，应用于固液变推力发动机；包括：线性自抗扰控制器和可变文氏管；所述线性自抗扰控制器，用于以所述固液变推力发动机的实际推力、推力误差和可调阀门的实际开度作为输入量，得到所述可变文氏管的实际控制量；所述可调阀门为所述可变文氏管的阀门；所述推力误差为所述固液变推力发动机的期望推力与所述实际推力之间的误差；所述可变文氏管，用于基于所述实际控制量控制所述可调阀门的开度，以控制流过所述可变文氏管的液体氧化剂流量为目标流量。
7.进一步地，所述线性自抗扰控制器包括pid控制器，线性扩张状态观测器和补偿模块；所述pid控制器，用于以所述推力误差作为输入量，得到所述可调阀门的初始控制量；所述线性扩张状态观测器，用于以所述初始控制量和所述实际推力作为输入量，得到控制补偿量；所述补偿模块，用于将所述初始控制量与所述控制补偿量相加，再与所述可调阀门的实际开度相减，得到所述可变文氏管的实际控制量。
8.进一步地，还包括测量模块，用于获取所述固液变推力发动机的实际推力和所述
可调阀门的实际开度。
9.第二方面，本发明实施例还提供了一种基于线性自抗扰的固液变推力发动机控制方法，应用于基于线性自抗扰的固液变推力发动机控制器；所述发动机控制器包括：线性自抗扰控制器和可变文氏管；所述方法包括：以固液变推力发动机的实际推力、推力误差和可调阀门的实际开度作为所述线性自抗扰控制器的输入量，得到所述可变文氏管的实际控制量；所述可调阀门为所述可变文氏管的阀门；所述推力误差为所述固液变推力发动机的期望推力与所述实际推力之间的误差；基于所述实际控制量控制所述可调阀门的开度，以控制流过所述可变文氏管的液体氧化剂流量为目标流量。
10.进一步地，所述线性自抗扰控制器包括pid控制器和线性扩张状态观测器；以固液变推力发动机的实际推力、推力误差和可调阀门的实际开度作为所述线性自抗扰控制器的输入量，得到所述可变文氏管的实际控制量，包括：以所述推力误差作为所述pid控制器的输入量，得到所述可调阀门的初始控制量；以所述初始控制量和所述实际推力作为所述线性扩张状态观测器的输入量，得到控制补偿量；将所述初始控制量与所述控制补偿量相加，再与所述可调阀门的实际开度相减，得到所述可变文氏管的实际控制量。
11.进一步地，所述方法还包括：对所述控制补偿量进行增益，得到增益之后的控制补偿量。
12.进一步地，所述方法还包括：获取所述固液变推力发动机的实际推力和所述可调阀门的实际开度。
13.第三方面，本发明实施例还提供了一种固液变推力发动机，包括上述第一方面所述的发动机控制器。
14.第四方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第二方面所述的方法的步骤。
15.第五方面，本发明实施例还提供了一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，所述程序代码使所述处理器执行上述第二方面所述方法。
16.本发明提供了一种基于线性自抗扰的固液变推力发动机控制器和控制方法，在传统的阀门控制基础上，加入了线性自抗扰控制，通过状态观测器实时补偿系统所受到的扰动，从而实现了实时调节可变文氏管的开度，缓解了现有技术中存在的由于氧燃比不确定及压差导致的控制不精确的技术问题。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例提供的一种基于线性自抗扰的固液变推力发动机控制器的示意图；图2为本发明实施例提供的一种基于线性自抗扰的固液变推力发动机控制方法的流程图。
具体实施方式
19.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.实施例一：图1是根据本发明实施例提供的一种基于线性自抗扰的固液变推力发动机控制器的示意图，该发动机控制器应用于固液变推力发动机。如图1所示，该发动机控制器包括：线性自抗扰控制器10和可变文氏管20。
21.具体的，线性自抗扰控制器10，用于以固液变推力发动机的实际推力tc、推力误差e和可调阀门的实际开度δ作为输入量，得到可变文氏管20的实际控制量。其中，可调阀门为可变文氏管20的阀门；推力误差e为固液变推力发动机的期望推力tr与实际推力tc之间的误差。
22.可变文氏管20，用于基于实际控制量控制可调阀门的开度，以控制流过可变文氏管20的液体氧化剂流量为目标流量w。
23.本发明提供了一种基于线性自抗扰的固液变推力发动机控制器，在传统的阀门控制基础上，加入了线性自抗扰控制，通过状态观测器实时补偿系统所受到的扰动，从而实现了实时调节可变文氏管的开度，缓解了现有技术中存在的由于氧燃比不确定及压差导致的控制不精确的技术问题。
24.如图1所示，线性自抗扰控制器10包括：pid控制器11，线性扩张状态观测器12和补偿模块13。
25.具体的，pid控制器11，用于以推力误差e作为输入量，得到可调阀门的初始控制量u。
26.线性扩张状态观测器12，用于以初始控制量u和实际推力tc作为输入量，得到控制补偿量。
27.补偿模块13，用于将初始控制量u与控制补偿量相加，再与可调阀门的实际开度δ相减，得到可变文氏管20的实际控制量。
28.在本发明实施例中，线性自抗扰控制器（linear active disturbance rejection control, ladrc）的核心部分就是线性扩张状态观测器（linear extended state observer，leso），其目的是解决主动抗扰技术中扰动的观测这一核心问题。借用了现代控制理论中状态观测器的思想，在观测系统的状态变量z1、z2……zn
，的基础上，将除了控制量之外所有对被控对象输出有影响因素称之为总和扰动f(x1,x2,
…
,xn)，把总和扰动扩张成新的状态变量z
n+1
，用其特殊的反馈机制建立扩张状态观测器观测总和扰动。它最大的优势是不依赖于生成扰动的模型，并且不需要详细准确的系统模型就可以对模型参数不确定性和外部环境变化产生的总和扰动值进行估计，得到总和扰动估计值，并在最后输出时将观测的扰动进行实时抵消。以一个二阶积分系统为例设计其扩张状态观测器如下：
（1）式（1）为一个二阶系统的自抗扰控制形式，其中x3=f(x1,x2,ω(t))为总和扰动，包含了系统的状态变量x1,x2产生的内部扰动以及外部扰动ω(t)，为了观测到f(x1,x2,ω(t))的具体大小，引入新的状态变量x3=f(x1,x2,ω(t))，代入式（1），则二阶系统被扩张成如下系统：（2）为了对扩张的三阶系统进行较好的跟踪，针对式（2）建立如下的线性扩张状态观测器：（3）其中e1是观测量z1与被控对象输出y之间的误差，u是控制器的输出值，通过系统的输入、输出，状态观测器可以让z1、z2、z3分别观测式（2）系统的三个状态变量x1、x2、x3，而x3是扩张出来的干扰项，如果能将x3估计出来，即可实现对总和扰动的补偿。
29.可选地，如图1所示，b0是为控制器增益b的估计值。
30.可选地，本发明实施例提供的发动机控制器，还包括测量模块，用于获取固液变推力发动机的实际推力和可调阀门的实际开度。可选地，测量模块还用于对发动机推力、燃烧室推力、喷注器前压力和可调阀门开度进行测量和计算。可选地，本发明实施例提供的发动机控制器，还用于根据发动机推力等测量结果，计算阀门开度的控制量，并通过观测推力偏差进行反馈补偿对发动机推力进行实时精确控制。
31.具体的，如图1所示，本发明实施例提供的一种基于线性自抗扰的固液变推力发动机控制器，将期望推力tr与实际推力tc产生的误差e作为pid控制器的输入量，然后生成控制指令u，接着控制指令u与实际推力tc作为leso的输入，生成一个补偿量，与控制指令u相加，再与实际测量的阀门开度δ相减，得到可变文氏管的实际控制量，最终得到可变文氏管回路的液体氧化剂流量w。
32.由此可知，本发明实施例提供的一种基于线性自抗扰的固液变推力发动机控制器，在传统的阀门控制上，加入了自抗扰控制，通过状态观测器实时补偿系统所受到的扰动，从而实时调节可变文氏管的开度，不仅可以解决氧燃比导致的控制效果差的问题，也可以解决前后压差所导致的控制精度下降的问题，缓解了现有技术中存在的由于氧燃比不确定及压差导致的控制不精确的技术问题。
33.可选地，本发明实施例还提供了一种固液变推力发动机，包括本发明实施例提供的发动机控制器。
34.实施例二：图2是根据本发明实施例提供的一种基于线性自抗扰的固液变推力发动机控制方法的流程图。该方法应用于基于线性自抗扰的固液变推力发动机控制器；其中，发动机控制器包括：线性自抗扰控制器和可变文氏管。如图1所示，该方法具体包括如下步骤：步骤s202，以固液变推力发动机的实际推力、推力误差和可调阀门的实际开度作为线性自抗扰控制器的输入量，得到可变文氏管的实际控制量；可调阀门为可变文氏管的阀门；推力误差为固液变推力发动机的期望推力与实际推力之间的误差。
35.步骤s204，基于实际控制量控制可调阀门的开度，以控制流过可变文氏管的液体氧化剂流量为目标流量。
36.本发明提供了一种基于线性自抗扰的固液变推力发动机控制方法，在传统的阀门控制基础上，加入了线性自抗扰控制，通过状态观测器实时补偿系统所受到的扰动，从而实现了实时调节可变文氏管的开度，缓解了现有技术中存在的由于氧燃比不确定及压差导致的控制不精确的技术问题。
37.可选地，在本发明实施例中，线性自抗扰控制器包括pid控制器和线性扩张状态观测器；步骤s202还包括如下步骤：步骤s2021，以推力误差作为pid控制器的输入量，得到可调阀门的初始控制量；步骤s2022，以初始控制量和实际推力作为线性扩张状态观测器的输入量，得到控制补偿量；步骤s2023，将初始控制量与控制补偿量相加，再与可调阀门的实际开度相减，得到可变文氏管的实际控制量。
38.可选地，本发明实施例提供的方法还包括：对控制补偿量进行增益，得到增益之后的控制补偿量。
39.可选地，在本发明实施例提供的方法中，还包括：获取固液变推力发动机的实际推力和可调阀门的实际开度。
40.本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现本发明实施例提供的方法的步骤。
41.本发明实施例还提供了一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，程序代码使处理器执行本发明实施例提供的方法。
42.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进
行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。