Commande robuste basée modèle des régimes transitoires des moteurs fusée à ergols liquides réutilisables

Autor: Pérez Roca, Sergio
Přispěvatelé: DTIS, ONERA, Université Paris Saclay [Palaiseau], ONERA-Université Paris-Saclay, Université Paris-Saclay, Hélène Piet-Lahanier, Nicolas Langlois
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Systems and Control [cs.SY]. Université Paris-Saclay, 2020. English. ⟨NNT : 2020UPASS017⟩
Popis: The current trend towards a more affordable access to space is materialising in reusable launchers and engines. From the control perspective, these reusable liquid-propellant rocket engines (LPRE) imply more demanding robustness requirements than expendable ones, mainly due to their multi-restart and thrust-modulation capabilities. Classically, the control system handles LPRE operation at a finite set of predefined points. That approach reduces their throttability domain to a narrow interval in which they are designed to be safe. Moreover, transient phases, which have a great impact on engine life, are not robustly operated. Hence, the goal of this work is to develop a control loop which is adapted to the whole set of operating phases, transient and steady-state, and which is robust to internal parametric variations. Several blocks have been developed to constitute the control loop: engine simulation, reference generation and controllers. First, simulators representative of the gas-generator-cycle engines were built. The purely thermo-fluid-dynamic modelling of the cycle was subsequently adapted to control, obtaining nonlinear state-space models. In these models, the influence of continuous control inputs (valve openings) and of discrete ones (igniters and starter activations) is considered within a simplified hybrid approach. The continuous sub-phase of the start-up transient is feedback controlled to track pre-computed reference trajectories. Beyond the start-up, throttling scenarios also present an end-state-tracking algorithm. A model-based control method, Model Predictive Control, has been applied in a linearised manner with robustness considerations to all these scenarios, in which a set of hard constraints must be respected. Tracking of pressure (thrust) and mixture-ratio operating points within the design envelope is achieved in simulation while respecting constraints. Robustness to variations in the parameters, which are checked to be predominant according to analyses, is also demonstrated. This framework paves the way to experimental validation via hardware-in-the-loop simulations or in test benches.; La tendance actuelle vers un accès plus abordable à l'espace se traduit par des lanceurs et moteurs réutilisables. Du point de vue du contrôle, ces moteurs fusée à propergol liquide (MFPL) réutilisables impliquent des spécifications de robustesse plus exigeantes que ceux à usage unique, principalement en raison de leurs capacités de redémarrage multiple et de modulation de poussée. Classiquement, le système de contrôle gère les opérations des MFPL autour d'un ensemble fini de points prédéfinis. Cette approche réduit leur domaine de modulation à un intervalle restreint dans lequel ils sont conçus pour être sûrs. De plus, les phases transitoires, qui ont un impact important sur la vie du moteur, ne sont pas exécutées de manière robuste. L’objectif de ce travail est donc de développer une boucle de régulation adaptée à l’ensemble des phases d'opération (transitoire et régime permanent) et robuste aux variations paramétriques internes. Plusieurs blocs ont été développés pour constituer la boucle de régulation : simulation de moteur, génération de référence et contrôleurs. Des simulateurs représentatifs des moteurs à cycle générateur de gaz ont tout d'abord été construits. La modélisation purement thermodynamique du cycle a ensuite été adaptée au contrôle, afin d'obtenir des modèles non-linéaires sous forme d'état. Dans ces modèles, l'influence des entrées de commande continues (ouvertures des vannes) et des entrées discrètes (activation des allumeurs et démarreur) est considérée dans un cadre hybride simplifié. La sous-phase continue du transitoire de démarrage est contrôlée en boucle fermée pour suivre des trajectoires de référence pré-calculées. Outre le démarrage, les scénarios de modulation présentent également un algorithme pour le suivi des états finaux. Une méthode de contrôle à base de modèles, la commande prédictive, a été appliquée de manière linéarisée avec des considérations de robustesse à tous ces scénarios, dans lesquels des contraintes dures doivent être respectées. Le suivi des points de fonctionnement en pression (poussée) et du rapport de mélange dans l'enveloppe de conception est atteint en simulation tout en respectant les contraintes. La robustesse aux variations des paramètres, qui sont identifiés comme prédominants par des analyses, est également démontrée. Ce travail ouvre la voie à la validation expérimentale par des simulations hardware-in-the-loop ou des tests sur banc d'essai.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: