[论文解读] An MPC Approach to Transient Control of Liquid-Propellant Rocket Engines

Sergio Pérez-Roca, Julien Marzat+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2019

Advanced Control Systems Optimization参考文献 19被引用 14

一句话总结

本文提出一种模型预测控制（MPC）策略，结合非线性预处理器，用于液氧煤油火箭发动机在全连续启动阶段的瞬态控制。该方法在严格满足操作约束的前提下，实现了燃烧室压力和混合比的精确终点跟踪，通过有限扰动场景下最小最大优化问题的上境形式确保鲁棒性，相较于开环和线性控制器，显著提升了约束满足度与跟踪精度。

ABSTRACT

The current context of launchers reusability requires the improvement of control algorithms for their liquid-propellant rocket engines. Their transient phases are generally still performed in open loop. In this paper, it is aimed at enhancing the control performance and robustness during the fully continuous phase of the start-up transient of a generic gas-generator cycle. The main control goals concern end-state tracking in terms of combustion-chamber pressure and chambers mixture ratios, as well as the verification of a set of hard operational constraints. A controller based on a nonlinear preprocessor and on linear MPC (Model-Predictive Control) has been synthesised, making use of nonlinear state-space models of the engine. The former generates the full-state reference to be tracked while the latter achieves the aforementioned goals with sufficient accuracy and verifying constraints for the required pressure levels. Robustness considerations are included in the MPC algorithm via an epigraph formulation of the minimax robust optimisation problem, where a finite set of perturbation scenarios is considered.

研究动机与目标

• 解决可重复使用液氧煤油火箭发动机（LPRE）在全连续启动瞬态过程中缺乏鲁棒且受约束控制的问题。
• 提升在低推力状态（低至30%）下的控制性能与鲁棒性，该状态下经典控制器表现不佳。
• 在瞬态阶段严格满足混合比、涡轮泵转速和执行器变化率等硬性操作约束。
• 开发一种控制策略，确保在多个工作点上对燃烧室压力和混合比设定值的高精度跟踪。
• 实现全连续启动阶段的可靠闭环控制，取代传统开环方法。

提出的方法

• 使用简化非线性状态空间模型（simplified NLSS）表示燃气发生器循环液氧煤油火箭发动机的动态特性。
• 采用非线性预处理器，基于发动机的非线性模型，从发射器需求生成全状态参考信号。
• 应用带积分作用的线性MPC，以跟踪生成的参考信号，同时对状态和输入施加硬约束。
• 通过有限扰动场景下的最小最大优化问题的上境形式引入鲁棒性。
• 使用MATLAB中的IPOPT求解器求解所得凸非线性规划问题，并评估其实时计算可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于非线性预处理器的MPC能否在燃气发生器循环液氧煤油火箭发动机的全连续启动阶段，实现燃烧室压力和混合比的精确终点跟踪？
• RQ2 所提出的MPC控制器在不同工作点下，对混合比、转速等硬性操作约束的保持能力如何？
• RQ3 与开环或线性控制器相比，该鲁棒MPC公式在参数不确定性与扰动下的性能提升程度如何？
• RQ4 在高保真度、非线性火箭发动机背景下，控制精度、约束满足度与计算负载之间的权衡关系如何？
• RQ5 该方法是否可扩展至跟踪预设轨迹或处理更复杂的扰动场景？

主要发现

• MPC控制器在所有测试工作点（额定、最小、最大）下，燃烧室压力跟踪误差均低于0.7%。
• 额定工况下混合比跟踪误差保持在0.3%以内，非额定工况下低于1.7%，表明具有高精度。
• 自启动指令发出1.9秒后，混合比、涡轮泵转速和执行器速率等约束即被严格遵守，验证时间波动在百分之若干秒以内。
• 在额定点，调节时间由开环的2.8秒缩短至闭环的2.51秒，超调量控制更优（5.04% vs. 6.31%）。
• 与PID和LQR控制器在推力提升至1.2倍额定压力时违反转速约束不同，MPC控制器始终将所有约束控制在限值内。
• 计算时间约为实时的十倍，表明经进一步优化后具备实时实现潜力。