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基于Fuzzy-PI双模控制器的燃气发生器压强控制算法研究

更新时间：2019-12-29 21:08:07 大小：1M 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：双模控制器燃气发生器压强控制算法 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

为了改善燃气发生器流量调节控制系统的性能,建立了系统的数学模型.针对系统具有较强的非线性和时变性的特点,引入模糊-PI双模控制器对燃气发生器内压强闭环控制,在系统偏差较大时采用模糊控制器,以获得良好的瞬态性能;在系统偏差较小时采用PI控制器,以获得良好的稳态性能.仿真结果表明:模糊-PI双模控制器集模糊控制器与经典PI控制器的优点于一身,在不同的工作状况下具有响应速度快、超调量低、鲁棒性好、抗干扰能力强等优点,相比于经典PI控制器响应时间最高可缩短4.11s,超调量最多减小约4.5倍,提高了燃气流量调节系统的控制精度.

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2018年5月  
第39卷 第5期  
May 2018  
Vol.39 No.5  
推 进 技 术  
JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY  
基于Fuzzy-PI双模控制器的燃气  
发生器压强控制算法研究*  
柴金宝，陈 雄，余业辉，崔二伟  
（南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094）  
摘
要：为了改善燃气发生器流量调节控制系统的性能，建立了系统的数学模型。针对系统具有较  
强的非线性和时变性的特点，引入模糊-PI双模控制器对燃气发生器内压强闭环控制，在系统偏差较大  
时采用模糊控制器，以获得良好的瞬态性能；在系统偏差较小时采用 PI控制器，以获得良好的稳态性  
能。仿真结果表明：模糊-PI双模控制器集模糊控制器与经典PI控制器的优点于一身，在不同的工作状  
况下具有响应速度快、超调量低、鲁棒性好、抗干扰能力强等优点，相比于经典 PI控制器响应时间最  
高可缩短4.11s，超调量最多减小约4.5倍，提高了燃气流量调节系统的控制精度。  
关键词：燃气发生器；Fuzzy-PI双模控制器；时变性；压力闭环控制；瞬态性能；稳态性能  
中图分类号：V435  
文献标识码：A  
文章编号：1001-4055 （2018） 05-1151-06  
DOI：10.13675/j. cnki. tjjs. 2018. 05. 023  
Research on Pressure Control Algorithm of Gas Generator  
Based on Fuzzy-PI Dual Mode Controller  
CHAI Jin-bao，CHEN Xiong，YU Ye-hui，CUI Er-wei  
（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）  
Abstract：In order to improve the performance of gas generator flow regulation control system，mathematiꢀ  
cal model was established on the basis of this system. According to analysis，it was proved that the system has the  
performance with strong non-linear and time-varying characteristics. The Fuzzy-PI dual mode controller was inꢀ  
troduced to control the pressure inside of the gas generator. When the system error is serious，Fuzzy controller  
starts to work to obtain good transient performance. PI controller will be used the other way to achieve favorable  
steady performance. Simulation results show that the innovative controller integrates the advantages of Fuzzy conꢀ  
troller and classic PI controller. In different circumstances，the Fuzzy-PI dual mode controller is in possession of  
quicker respond，lower overshoot，stronger robustness and better anti-interference performance. Compared with  
the classic PI controller，the response time can be shortened about 4.11s，with the overshoot decreased by about  
4.5 times. Hence，the control accuracy of gas flow regulation system is improved.  
Key words：Gas generator；Fuzzy-PI dual mode controller；Time-variation；Pressure close loop conꢀ  
trol；Transient performance；Steady performance  
能导弹系统的首选。而在高空环境中，发动机会因  
1 引 言  
为燃料消耗过多使比冲骤降。为了使导弹能在大空  
域、较宽的马赫数范围内作战，要求导弹的动力装置  
必须能够对燃气流量进行有效地调节［1，2］。美国、德  
固体火箭冲压发动机具有结构简单、比冲高、维  
护方便以及可靠性良好等优点，成为了新一代高性  
*
收稿日期：2017-04-11；修订日期：2017-06-01。  
基金项目：国家自然科学基金 （51606098）；江苏省自然科学基金 （BK20140772）。  
作者简介：柴金宝，男，硕士生，研究领域为固体火箭发动机燃气流量调节技术。E-mail:  
万方数据  
1152  
推
进
技
术
2018年  
国、俄罗斯、日本等各个军事强国对燃气流量调节技  
术均产生了足够重视［3，4］。我国各个航空航天研究  
所、西北工业大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学  
等高校也对流量调节技术积极地展开研究［5］。控制  
燃气流量的方法主要有变喉面式、非壅塞式和固定  
流量式等［6］。国内外对变喉面式研究的较多，控制效  
果也是最理想的，其原理是通过机械传动机构调节  
燃气发生器的喉道面积进而改变推进剂的燃速 ，达  
到控制流量的目的［7］。常用的机械阀门有柱塞阀、滑  
盘阀、锥阀、旋转调节阀。美国著名的丛林狼超声速  
掠海飞行靶弹通过电机带动柱塞阀改变喉部面积从  
而实现燃气流量的调节。欧洲 MBDA 研制的“流星”  
导弹应用滑盘阀来调节燃气流量，最大调节比可达  
12:1。锥阀因自身的形状特征使其处于顺气流高速  
流，并且抗沉淀性能与另外几种阀门相比有明显的  
优势，因此被应用于俄罗斯的 R-77M-PD 超视距空  
空导弹，调节比也能达到 9:1。近年来日本的固冲发  
燃气流量调节系统具有强时变性的主要因素是  
喉道面积时变性和自由容积时变性。文中研究的系  
统采用的是钨铜合金制成的锥阀和喷管，实验证明  
钨铜合金具有非常强的耐烧蚀性。因此忽略了喉道  
与锥阀的烧蚀带来的时变性对控制系统的影响 ，着  
重讨论自由容积时变性的影响。  
2 燃气发生器结构和系统数学模型  
2.1 燃气发生器的结构及工作原理  
如图 1 所示，燃气发生器由执行机构、燃烧室、喷  
管组成。执行机构包括步进电机、联轴器、传动螺杆  
以及锥阀等。工作原理如下，推进剂在燃烧室内迅  
速燃烧产生大量的燃气，燃气通过带有锥阀调节的  
喷管排出；测压传感器实时采集燃气发生器内的压  
强并传递给控制器，控制器根据理想压强与实际压  
强的偏差控制步进电机的转向和步数，从而使传动  
螺杆和锥阀沿轴向移动，让喷管的喉部面积发生变  
化，燃气发生器内的压强亦随之改变。  
动机技术取得了较大的突破，并采用了 GAP 推进剂  
［8～10］  
和旋转调节阀控制燃气流量，调节比为 5:1  
。
由于燃气发生器在工作过程中，不可避免地会  
出现阀体烧蚀和燃气中固体颗粒沉积现象，造成了  
喉部面积变化的非线性；推进剂不断的燃烧使得燃  
气发生器的自由容积不断变化，造成了系统的时变  
性［11～13］。因被控对象具有很强的非线性和时变性，  
压强闭环控制系统的算法设计起来相当复杂 ，关于  
控制算法的文献更是少见。聂聆聪等曾提出模糊积  
分算法进行压力闭环控制［14］，使燃气发生器在长时间  
工作下仍具有良好的动态性能，但因缺少比例系数自  
整定作用导致系统响应时间较长。刘源翔等设计了  
一种前馈自适应 PID 算法［15］，可以有效地克服系统参  
数摄动对控制的影响，但该自适应控制器需通过反馈  
得到不易测量的自由容积，难以应用到实际过程中。  
经典的 PID 控制器因具有算法简单、稳点性强等  
Fig. 1 Flow adjustable gas generator  
2.2 系统的数学模型  
若要对系统进行控制，须先建立燃气发生器的  
数学模型。由质量守恒定律可知燃烧室内的燃气质  
量随时间的变化率 mg 等于燃烧室内的燃气生成率  
mb 与从喷管排出的质量流率 m 之差［18］，即  
mg = mb - m  
mg = d(ρgVr)/dt  
mb = ρp Abr αpnr  
（1）  
（2）  
（3）  
优点被广泛应用于闭环控制系统，但其最大的缺点  
［16］  
是不适用于被控对象参数变化、非线性严重的系统  
。
这使得经典的 PID 控制器难以在燃气发生器上取得  
较 好 的 控 制 效 果 。 模 糊 控 制 以 人 的 操 作 经 验 为 基  
础，并不依赖系统精确的数学模型，将自然语言表述  
成 控 制 策 略 ，成 为 了 人 类 解 决 复 杂 系 统 的 重 要 手  
段。然而模糊控制缺少积分作用，在平衡点附近的  
稳态精度较差，难以达到较高的控制精度［17］。为弥  
补上述缺陷，本文提出模糊控制器和 PI 控制器相结  
合，充分发挥各自的优点，使控制效果更佳完美，改  
善固体火箭冲压发动机的高空作战性能。  
pr Art  
m =  
（4）  
C*  
根据上式推导出火箭发动机的零维内弹道微分  
方程为  
dpr  
RTr dt  
pr Art  
C*  
Vr  
= ρp Abr αprn -  
-
Abr αpnr + 1  
（5）  
1
RTr  
将式（5）在某一平衡点处进行小扰动线性化后  
得到燃气发生器内压强与喷管喉部面积之间的传递  
函数，即系统的动态模型  
万方数据  

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