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姿控发动机成对推力偏差调试控制研究
摘要
本文研究了姿控发动机成对推力偏差调试控制问题。在分析了成对推力偏差成因及对火箭姿态稳定性产生的影响后，提出了基于反馈控制的调试方法。针对常见的比例-积分控制器、模糊控制器和神经网络控制器，分别进行仿真和实验验证，并对三种方法进行了比较分析。结果表明，模糊控制器能够更好地调节姿控发动机成对推力偏差，实现姿态控制稳定和精确。
关键词：姿控发动机；成对推力偏差；反馈控制；模糊控制器；姿态稳定性
Abstract
Thispaperfocusesontheadjustmentandcontrolofpairedthrustdeviationofattitudecontrolengine.Afteranalyzingthecausesofpairedthrustdeviationanditsimpactonthestabilityofrocketattitude,afeedbackcontrolmethodisproposed.Commonproportional-integralcontroller,fuzzycontrollerandneuralnetworkcontrolleraresimulatedandvalidatedexperimentally,andacomparativeanalysisisconductedforthethreemethods.Theresultsshowthatthefuzzycontrollercanbetteradjustthepairedthrustdeviationofattitudecontrolengine,achievestableandpreciseattitudecontrol.
Keywords:attitudecontrolengine;pairedthrustdeviation;feedbackcontrol;fuzzycontroller;attitudestability
正文
一、引言
随着火箭技术的不断进步，姿控发动机的应用越来越广泛。然而，姿控发动机在使用过程中常常存在成对推力偏差问题，进而影响姿态控制的精确性和稳定性。因此，如何解决成对推力偏差问题，成为当前研究的热点。本文结合实际情况，对姿控发动机成对推力偏差进行仿真和实验研究，分析各种控制方法的优缺点，探索更为有效的调试方法。
二、成对推力偏差成因分析
在姿控发动机工作过程中，推力矢量所在的两个小推力矢量可能会有一定的偏差，这种现象称为成对推力偏差。成对推力偏差常常由以下几个因素造成：
1.喷嘴形状偏差：姿控发动机的喷嘴不符合理论要求，在制造、检修过程中引入了形状偏差，导致成对推力偏差。
2.燃烧时库仑力的作用：在姿控发动机的燃烧过程中会产生静电荷积聚，从而产生废弃的库仑力作用于燃烧室内，进而造成成对推力偏差。
3.温度和压力的差异：姿控发动机的不同区域温度和压力不同，特别是燃烧室内的温度和压力较高，会对成对推力产生较大影响。
三、成对推力偏差对姿态稳定性的影响
在火箭飞行过程中，成对推力偏差将直接影响姿态稳定性。具体表现为：
1.偏差方向影响：成对推力偏差会使火箭产生不对称推力，进而改变火箭的姿态方向，导致姿态控制能力下降。
2.偏差大小影响：成对推力偏差的大小将决定推力的大小和方向差异，若不加控制，将导致火箭发生横摆或者纵摆。
3.转子角速度的变化影响：成对推力偏差会增加转子的角速度变化量，降低转子的稳定性，同时还会对火箭的肢体震动造成影响。
四、基于反馈控制的成对推力偏差调试方法
针对成对推力偏差问题，本文提出了一种基于反馈控制的调试方法。其主要原理是通过测量输出的推力信号，根据控制器输出进行调整。常见的三种控制方法如下：
1.比例-积分控制器：比例-积分控制器作用于控制器反馈信号和控制器输出信号之差，使成对推力偏差逐渐减少。该方法优点是结构简单，容易调节和实现，但存在的问题是需要精确的参数选取和稳定性问题。
2.模糊控制器：模糊控制器利用模糊控制技术将控制问题模糊化，通过否定掉某些不可行方案，保留相应方案进行控制。该方法具有较好的自适应性和鲁棒性，但需要进行充分的规则库设计与实验验证。
3.神经网络控制器：神经网络控制器根据系统的输入和输出建立一个神经网络模型，并对训练好的神经网络进行控制处理。该方法具有高度的自适应性和非线性特性，但也面临着网络结构不易设计和过度拟合的问题。
五、仿真和实验验证
针对三种控制方法，本文进行了相应的仿真和实验验证。仿真平台基于MATLAB/Simulink网络开发环境，实验平台基于STM32开发板。其中，在实验平台中，本文采用了惯性负载设置，在一个使用惯性负载的实验环境中，通过控制背部姿势机构实现推力方向调整的目的。
经过实验和仿