基于可靠性优化的固体火箭姿态控制器设计

严 恺 吴燕生 张 兵 钟 震

1. 北京宇航系统工程研究所，北京 100076；2. 中国航天科技集团公司，北京 100048

0 引言

在固体火箭的姿态控制器设计过程中，质量偏差、发动机推力偏差、气动偏差等诸多不确定性因素普遍存在。为了保证火箭在实际飞行中的稳定性和性能，必须在设计中对这些偏差量予以处理。而随着长细比的增加和整流罩尺寸的变大，火箭姿态控制系统面临的参数不确定问题也会加剧[1]。当前工程中最常用的处理方式为根据经验对这些偏差量进行极限拉偏组合，确定系统的极限状态，并按照最不利的工作条件进行控制器的分析和设计[2]。实际上，这些极端情况出现的概率一般非常低，但为了保证系统在这些极端情况下的性能，需要的代价却很大，从而导致设计的极度保守，产品效率低下。与之相比，概率设计方法充分考虑到不确定参数的概率分布情况，并以可靠性的方式提出性能要求，得到更加符合工程实际需求的设计，降低了设计的保守性[3]。

可靠性(Reliability)为系统指标满足的概率，对系统可靠性的估计称为可靠性分析(Reliability Analyze, RA)，与之对应的控制器设计方法称为基于可靠性的控制器设计(Reliability-Based Controller Design, RBCD)[4]。RBCD包含概率估计和参数设计2个层次，整体构成一个优化问题，求解目标为在可衡量的概率水平下获得一个最优设计[5]。文献[6-8]等将各个指标满足的概率的加权和作为优化的目标函数，并对控制器参数进行寻优设计。这类方法中的可靠性分析通过蒙特卡罗采样法实现，整体计算量极大。……