Pressure control of gas generator in throttleable ducted rockets: A time delay resistant adaptive control approach

Abstract

Operasyon sırasında itki değişimi yapabilen roketler, hareketli bir hedefi takip ederken büyük bir avantaja sahiptirler. Kanallı roketler için bu avantajı sağlamanın anahtarı, temel alt elemanlarından birisi olan gaz jeneratörü içerisinde yüksek hassasiyetle basınç kontrolü yapmaktır. Ancak, sistemin doğası bu kontrol problemini zorlaştırmaktadır, çünkü, sistemin modeli zaman değişimlidir ve doğrusal değildir. Dahası, zorlu çalışma koşullarından dolayı sistemde bilinmezlik ve dış bozucu etkenler gözlemlenmektedir. Açık literatürde bu kontrol problemine getirilen çözümler genel olarak doğrusal kontrolcü yaklaşımlarını içermektedir. Ancak problemin zorluğu, literatürde yer alan çalışmalardan farklı bir yaklaşıma ihtiyaç olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, bu tezde, bir `zaman gecikmesine dirençli kapalı döngü referans modelli adaptif kontrolcü` geliştirilerek kontrol probleminin daha etkili bir şekilde çözümü sağlanmıştır. Önerilen kontrolcü, zaman gecikmesi direnci ve düzeltilmiş geçici tepki iyileştirmelerini bünyesinde barındırır. Kontrolcü, değişken itkili kanallı roket çalışmalarında bir kilometre taşı olarak kullanılan soğuk hava akış test sistemine başarılı bir şekilde gömülmüştür. Nümerik simülasyon ve testler sonucunda, önerilen kontrolcünün, farklı adaptif kontrolcülere ve sabit kazançlı bir kontrolcüye kıyasla daha yüksek bir zaman gecikmesi direnci ile iyileştirilmiş bir performans ortaya koyduğu gözlemlenmiştir. Adaptif kontrolcüler için adım adım tasarım prosedürü, gürbüzlüğü artırıcı metot, adaptasyon oranı ve başlangıç durumları belirleme konuları da kontrolcü tasarımını kolaylaştırmak adına tezde ele alınmıştır.

Having variable thrust during the operation of a rocket provides tremendous advantages while chasing down a target. For ducted rockets, the key factor to obtain variable thrust is the precise pressure control inside the gas generator, which is one of the main elements of a throttleable ducted rocket and utilized to generate the fuel in gaseous form for combustion. However, the inherent nature ofthe system makes the control problem difficult due to time varying parameters, nonlinearities and time delays. Furthermore, disturbances and uncertainties exist due to challenging operation conditions. All these challenges make it necessary to design an advanced control approach. Therefore, a delay resistant closed loop reference model adaptive control is proposed in this thesis to address the control problem. The proposed controller combines delay compensation and adaptation with improved transient response. The controller is successfully implemented using an industrial grade cold air test setup, which is a milestone towards obtaining a fully developed throttleable rocket gas generator controller. Simulation and experimental comparisons with alternative adaptive approaches and a fixed controller demonstrate improved performance and effective handling of time delays and uncertainties. A step by step design methodology, covering robustfying schemes, selection of adaptation rates and initial controller parameters, is also provided to facilitate implementations.