基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及火箭发动机的技术领域，尤其是涉及基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制器及控制方法。

背景技术

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。

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。

液体氧化剂在流动过程中，由于液体流动的不稳定以及液体和其他物体相互作用会产生测量噪声，从而导致系统控制精度下降。

液体氧化剂经可变文氏管及喷注器流入燃烧室会产生压降，会引起燃烧极不稳定，从而推力产生大范围波动，即产生了燃烧噪声，造成控制效果与理想效果存在偏差。

为解决上述问题，传统LESO处理的是加在系统上的总扰动，无法应对高频噪声对系统控制精度的影响。

针对上述问题，还未提出有效的解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制器及控制方法，以缓解了现有技术由于液体流动的不稳定和液体氧化剂燃烧不稳定的产生的噪声导致固液变推力发动机的控制效果较差的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制器，包括：分数阶抗扰控制器和可变文氏管，其中，所述分数阶抗扰控制器，用于根据固液变推力发动机的期望推力、所述固液变推力发动机的实际推力、所述可变文氏管的实际开度和系统噪声，确定出所述可变文氏管的实际控制量，其中，所述系统噪声包括：液路噪声和燃烧噪声；所述可变文氏管，用于基于所述实际控制量调节可调阀门的开度，以控制流过所述可变文氏管的液体氧化剂的流量，其中，所述可调阀门为所述可变文氏管的阀门，其中，所述分数阶抗扰控制器包括：跟踪微分器，分数阶扩张状态观测器，PID控制器和补偿模块，其中，所述跟踪微分器，用于根据所述期望推力，确定出期望推力指令和所述期望推力指令的微分；所述分数阶扩张状态观测器，用于根据所述可变文氏管的液体氧化剂的实际流量和所述实际推力与所述系统噪声的第一差值，确定出目标数据，其中，所述目标数据包括：所述实际推力的观测量，所述实际推力的微分的观测量和所述可调阀门的控制补偿量；所述PID控制器，用于将所述期望推力指令与所述实际推力的观测量之间的第二差值确定为所述可调阀门的第一目标控制量，并将所述期望推力指令的微分与所述实际推力的微分的观测量之间的第三差值确定为所述可调阀门的第二目标控制量，以及基于所述第一目标控制量和所述第二目标控制量，确定出所述可变文氏管的初始控制量；所述补偿模块，用于计算所述可调阀门的控制补偿量与所述初始控制量之间的和值，并将所述和值与所述可调阀门的实际开度之间的差值确定为所述可变文氏管的实际控制量。

进一步地，所述基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制器还包括：测量单元，用于测量所述固液变推力发动机的实际推力、所述系统噪声和所述可调阀门的实际开度。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制方法，应用于基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制器，所述基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制器包括分数阶抗扰控制器和可变文氏管，则所述方法包括：根据固液变推力发动机的期望推力、所述固液变推力发动机的实际推力、所述可变文氏管的实际开度和系统噪声，确定出所述可变文氏管的实际控制量，其中，所述系统噪声包括：液路噪声和燃烧噪声；基于所述实际控制量调节可调阀门的开度，以控制流过所述可变文氏管的液体氧化剂的流量，其中，所述可调阀门为所述可变文氏管的阀门，其中，所述分数阶抗扰控制器包括：跟踪微分器，分数阶扩张状态观测器，PID控制器和补偿模块，则根据固液变推力发动机的期望推力、所述固液变推力发动机的实际推力、所述可变文氏管的实际开度和系统噪声，确定出所述可变文氏管的实际控制量，包括：根据所述期望推力，确定出期望推力指令和所述期望推力指令的微分；根据所述可变文氏管的液体氧化剂的实际流量和所述实际推力与所述系统噪声的第一差值，确定出目标数据，其中，所述目标数据包括：所述实际推力的观测量，所述实际推力的微分的观测量和所述可调阀门的控制补偿量；将所述期望推力指令与所述实际推力的观测量之间的第二差值确定为所述可调阀门的第一目标控制量，并将所述期望推力指令的微分与所述实际推力的微分的观测量之间的第三差值确定为所述可调阀门的第二目标控制量，以及基于所述第一目标控制量和所述第二目标控制量，确定出所述可变文氏管的初始控制量；计算所述可调阀门的控制补偿量与所述初始控制量之间的和值，并将所述和值与所述可调阀门的实际开度之间的差值确定为所述可变文氏管的实际控制量。

进一步地，所述方法还包括：对所述初始控制量进行增益，得到增益之后的初始控制量。

进一步地，所述方法还包括：测量所述固液变推力发动机的实际推力、所述系统噪声和所述可调阀门的实际开度。

第三方面，本发明实施例提供了一种基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机，包括上述第一方面的基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制器。

第四方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储支持处理器执行上述第二方面中所述方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序。

在本发明实施例中，提供了一种基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制器包括：分数阶抗扰控制器和可变文氏管，其中，分数阶抗扰控制器，用于根据固液变推力发动机的期望推力、固液变推力发动机的实际推力、可变文氏管的实际开度和系统噪声，确定出可变文氏管的实际控制量，其中，系统噪声包括：液路噪声和燃烧噪声；可变文氏管，用于基于实际控制量调节可调阀门的开度，以控制流过可变文氏管的液体氧化剂的流量，其中，可调阀门为可变文氏管的阀门，通过对固液变推力发动机收到噪声进行适时补偿，达到了对可变文氏管的开度进行实时调节的目的，进而解决了现有技术由于液体流动的不稳定和液体氧化剂燃烧不稳定的产生的噪声导致固液变推力发动机的控制效果较差的技术问题，从而实现了提高固液变推力发动机的控制效果的技术效果。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

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。

图1为本发明实施例提供的基于分数阶扩张状态观测器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基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的一种电子设备的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

实施例一：

本发明实施例还提供了一种基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制器，以下是本发明实施例提供的基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制器的具体介绍。

如图1所示，图1上述基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制器的示意图，该基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制器包括：分数阶抗扰控制器10和可变文氏管20。

所述分数阶抗扰控制器，用于根据固液变推力发动机的期望推力、所述固液变推力发动机的实际推力、所述可变文氏管的实际开度和系统噪声，确定出所述可变文氏管的实际控制量，其中，所述系统噪声包括：液路噪声和燃烧噪声；

所述可变文氏管，用于基于所述实际控制量调节可调阀门的开度，以控制流过所述可变文氏管的液体氧化剂的流量，其中，所述可调阀门为所述可变文氏管的阀门。

如图1所示，T

在本发明实施例中，提供了一种基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制器包括：分数阶抗扰控制器和可变文氏管，其中，分数阶抗扰控制器，用于根据固液变推力发动机的期望推力、固液变推力发动机的实际推力、可变文氏管的实际开度和系统噪声，确定出可变文氏管的实际控制量，其中，系统噪声包括：液路噪声和燃烧噪声；可变文氏管，用于基于实际控制量调节可调阀门的开度，以控制流过可变文氏管的液体氧化剂的流量，其中，可调阀门为可变文氏管的阀门，通过对固液变推力发动机收到噪声进行适时补偿，达到了对可变文氏管的开度进行实时调节的目的，进而解决了现有技术由于液体流动的不稳定和液体氧化剂燃烧不稳定的产生的噪声导致固液变推力发动机的控制效果较差的技术问题，从而实现了提高固液变推力发动机的控制效果的技术效果。

如图1所示，在本发明实施例中，所述分数阶抗扰控制器10包括：跟踪微分器11，分数阶扩张状态观测器12，PID控制器13和补偿模块14，其中，所述跟踪微分器，用于根据所述期望推力，确定出期望推力指令和所述期望推力指令的微分；

所述分数阶扩张状态观测器，用于根据所述可变文氏管的液体氧化剂的实际流量和所述实际推力与所述系统噪声的第一差值，确定出目标数据，其中，所述目标数据包括：所述实际推力的观测量，所述实际推力的微分的观测量和所述可调阀门的控制补偿量；

所述PID控制器，用于将所述期望推力指令与所述实际推力的观测量之间的第二差值确定为所述可调阀门的第一目标控制量，并将所述期望推力指令的微分与所述实际推力的微分的观测量之间的第三差值确定为所述可调阀门的第二目标控制量，以及基于所述第一目标控制量和所述第二目标控制量，确定出所述可变文氏管的初始控制量；

所述补偿模块，用于计算所述可调阀门的控制补偿量与所述初始控制量之间的和值，并将所述和值与所述可调阀门的实际开度之间的差值确定为所述可变文氏管的实际控制量。

在本发明实施例中，跟踪微分器，主要作用是将期望推力信号进行处理，解决快速性与超调的矛盾。公式如下：

其中，e′是误差信号，T

分数阶扩张状态观测器(FOESO)是以ESO基础建立的，现代控制理论中ESO的思想，是在观测系统的状态变量z

以一个二阶积分系统为例：

其中f(x

为了对扩张的三阶系统进行较好的跟踪，建立了如下的扩张状态观测器：

其中，u是控制器的输出值，b为控制器增益，通过系统的输入、输出，状态观测器可以让z

FOESO：

在传统的ESO基础上，将分数阶的思想引入到了ESO上，对扩张的三阶系统建立如下的分数阶扩张状态观测器：

其中，z

μ为微分算子。FOESO对该高频噪声有着很好的处理效果，在控制系统中能对高频噪声有效补偿。

PID控制器为传统的比例-积分-微分控制器，输入量分为两部分，一部分为期望推力指令与FOESO观测出来的推力z

最后，补偿模块将初始控制量u与z

本发明在传统的固液变推力发动机推力控制上，加入了分数阶扩张状态观测器，通过实时补偿系统所受到的噪声影响，从而实时调节可变文氏管的开度，不仅可以解决液路噪声及燃烧噪声导致系统控制精度下降低的问题，也可以解决内外部扰动对系统的干扰。

实施例二：

根据本发明实施例，提供了一种基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图2是根据本发明实施例的基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制方法的流程图，该方法应用于基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制器，所述基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制器包括分数阶抗扰控制器和可变文氏管，如图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤S102，根据固液变推力发动机的期望推力、所述固液变推力发动机的实际推力、所述可变文氏管的实际开度和系统噪声，确定出所述可变文氏管的实际控制量，其中，所述系统噪声包括：液路噪声和燃烧噪声；

步骤S104，基于所述实际控制量调节可调阀门的开度，以控制流过所述可变文氏管的液体氧化剂的流量，其中，所述可调阀门为所述可变文氏管的阀门。

在本发明实施例中，通过根据固液变推力发动机的期望推力、固液变推力发动机的实际推力、可变文氏管的实际开度和系统噪声，确定出可变文氏管的实际控制量，其中，系统噪声包括：液路噪声和燃烧噪声；基于实际控制量调节可调阀门的开度，以控制流过可变文氏管的液体氧化剂的流量，其中，可调阀门为可变文氏管的阀门，通过对固液变推力发动机收到噪声进行适时补偿，达到了对可变文氏管的开度进行实时调节的目的，进而解决了现有技术由于液体流动的不稳定和液体氧化剂燃烧不稳定的产生的噪声导致固液变推力发动机的控制效果较差的技术问题，从而实现了提高固液变推力发动机的控制效果的技术效果。

优选的，所述分数阶抗扰控制器包括：跟踪微分器，分数阶扩张状态观测器，PID控制器和补偿模块，则根据固液变推力发动机的期望推力、所述固液变推力发动机的实际推力、所述可变文氏管的实际开度和系统噪声，确定出所述可变文氏管的实际控制量，包括：根据所述期望推力，确定出期望推力指令和所述期望推力指令的微分；根据所述可变文氏管的液体氧化剂的实际流量和所述实际推力与所述系统噪声的第一差值，确定出目标数据，其中，所述目标数据包括：所述实际推力的观测量，所述实际推力的微分的观测量和所述可调阀门的控制补偿量；将所述期望推力指令与所述实际推力的观测量之间的第二差值确定为所述可调阀门的第一目标控制量，并将所述期望推力指令的微分与所述实际推力的微分的观测量之间的第三差值确定为所述可调阀门的第二目标控制量，以及基于所述第一目标控制量和所述第二目标控制量，确定出所述可变文氏管的初始控制量；计算所述可调阀门的控制补偿量与所述初始控制量之间的和值，并将所述和值与所述可调阀门的实际开度之间的差值确定为所述可变文氏管的实际控制量。

优选的，所述方法还包括：对所述初始控制量进行增益，得到增益之后的初始控制量。

优选的，所述方法还包括：测量所述固液变推力发动机的实际推力、所述系统噪声和所述可调阀门的实际开度。

实施例三：

本发明实施例提供了一种基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机，包括上述的基于分数阶扩张状态观测器的固液变推力发动机控制器。

实施例四：

本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储支持处理器执行上述实施例一中所述方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

参见图3，本发明实施例还提供一种电子设备100，包括：处理器50，存储器51，总线52和通信接口53，所述处理器50、通信接口53和存储器51通过总线52连接；处理器50用于执行存储器51中存储的可执行模块，例如计算机程序。

其中，存储器51可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口53(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。

总线52可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图3中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

其中，存储器51用于存储程序，所述处理器50在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器50中，或者由处理器50实现。

处理器50可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器50中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器50可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器51，处理器50读取存储器51中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

实施例五：

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述实施例一中所述方法的步骤。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。