CN107515612B - 基于侧喷流控制的弹性振动抑制方法 - Google Patents

基于侧喷流控制的弹性振动抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于侧喷流控制的弹性振动抑制方法，该方法包括以下步骤：S1、输入环境专业数据；S2、根据环境专业提供的弹性运动相关数据，建立由侧喷流开关动作产生的弹性箭体角速度数学模型；S3、根据箭体弹性运动特性，设计相应的滤波器；S4、设计与控制性能相匹配的控制门限，合理控制侧喷流喷管开启频率；S5、设计智能节能控制策略，使开启频率门限进行自适应调整。本发明基于侧喷流控制的弹性振动抑制方法，能够实现侧喷流姿控发动机开关动作智能自适应控制策略，能够最大限度抑制高频弹性振动对姿态控制产生的干扰，使得控制效率得到大大增强，以满足固体运载火箭姿态控制精度的需求。

Description

基于侧喷流控制的弹性振动抑制方法
技术领域
本发明涉及航天飞行器姿态控制，具体地指一种基于侧喷流控制的弹性振动抑制方法。
背景技术
近年来固体运载火箭技术迅速发展，提出了更多的需求。为了简化运载火箭控制系统，减小起飞重量，达到低成本、小型化的目的，采取了多个飞行段共用一套侧喷流姿控发动机进行姿态控制的方案。侧喷流控制通过高速喷射质量，来获得控制力矩，具有直接产生控制力、响应速度快、使用不受环境限制等优势。目前在国内多个运载火箭上得到成功应用。
运载火箭在各飞行段飞行时，运载火箭的质量、质心、转动惯量以及气动参数变化很大，从理论设计性能指标的角度出发，应根据不同飞行时段的特点选用不同推力的侧喷流姿控发动机，是控制系统最佳方案。但是出于低成本、小型化的考虑，通常会采用多个飞行段共用一套侧喷流姿控发动机是最优的方案，但是，由此也带了很多需要解决的问题。
对于运载火箭来说，为了克服气动力矩和发动机推力线偏斜横移量等干扰力矩，侧喷流姿控发动机必须能够提供足够的控制力矩，同时满足各飞行段的需求。但是运载火箭各飞行段的干扰量大小不一，由于是多个飞行段共用一套侧喷流姿控发动机，控制能力是固定不变的，当侧喷流姿控发动机提供同样的控制力矩时，就会出现在某些情况下控制力矩远大于干扰力矩的情况，在这种情况下，如果不采取措施，喷管会反复开启、关闭，不仅耗费大量推进剂，且容易产生高频弹性振动现象，难以实现姿态角和姿态角速率的精确控制。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的以上缺陷或改进需求而提供了一种基于侧喷流控制的弹性振动抑制方法，该方法能够抑制高频弹性振动情况，实现对运载火箭姿态的稳定控制。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于侧喷流控制的弹性振动抑制方法，该方法包括以下步骤：
S1、输入环境专业数据；
S2、根据环境专业提供的弹性运动相关数据，建立由侧喷流开关动作产生的弹性箭体角速度数学模型；
S3、根据箭体弹性运动特性，设计相应的滤波器；
S4、设计与控制性能相匹配的控制门限，合理控制侧喷流喷管开启频率；
S5、设计智能节能控制策略，使开启频率门限进行自适应调整。
本发明一种侧喷流控制的弹性振动抑制方法，能够最大限度抑制高频弹性振动对姿态控制产生的干扰，使得控制效率得到大大增强，对采用一套侧喷流姿控发动机进行多段控制方案的运载火箭具有良好的控制效果，是运载火箭小型化、低成本的关键技术。
本发明基于侧喷流控制的弹性振动抑制方法，能够实现侧喷流姿控发动机开关动作智能自适应控制策略，能够最大限度抑制高频弹性振动对姿态控制产生的干扰，使得控制效率得到大大增强，以满足固体运载火箭姿态控制精度的需求。
实施本发明方法能够实现对采用侧喷流姿控发动机的运载火箭姿态控制的弹性振动抑制，解决了共用一套侧喷流姿控发动机进行多段姿态控制方案设计的关键问题，具有良好的控制效果，满足了姿态稳定的指标要求，并具有良好的稳定品质，是运载火箭小型化、低成本的关键技术。
附图说明
图1为本发明基于侧喷流控制的弹性振动抑制方法的流程图。
图2为侧喷流控制系统原理框图。
图3为本发明侧喷流智能节能控制策略原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明基于侧喷流控制的弹性振动抑制的工作原理如图2所示，控制量为姿态角偏差，姿态角偏差经过滤波器，消除高频振动带来的角偏差影响，再经过校正网络，输出了初步的侧喷流姿控发动机指令，在控制门限的基础上进行节能措施、自适应变参等策略的智能节能处理后，最后输出的姿控发动机控制指令，才是真正控制喷管开关动作的指令。
基于侧喷流控制的弹性振动抑制方法的操作流程如图1所示，包括以下步骤：
S1、输入环境专业数据。环境专业弹性振动相关数据由环境专业部门提供。所述环境专业提供的弹性运动相关数据，包括弹性体振动广义坐标、弹性运动方程系数、阻尼系数、固有频率和振型斜率、其他相关参数。
S2、根据环境专业提供的弹性运动相关数据，建立由侧喷流开关动作产生的弹性箭体角速度数学模型。
本实施例提供一种优选的弹性振动建模如下：
Figure BDA0001376082520000031
Figure BDA0001376082520000032
其中：qi(t)为弹性体振动广义坐标，
Figure BDA0001376082520000033
为弹性角偏差，为需要求解的变量；
ζi为阻尼系数，ωi为固有频率，D3i为弹性运动方程系数，Wi'(XI)为振型斜率，均为常量。
Ai函数值：
Figure BDA0001376082520000041
俯仰方向
Figure BDA0001376082520000042
函数值：
Figure BDA0001376082520000043
偏航方向
Figure BDA0001376082520000044
函数值：
Figure BDA0001376082520000045
S3、根据箭体弹性运动特性，设计相应的滤波器。
本发明用频域分析法进行结构滤波器参数与设计，设计时需要综合考虑弹体稳定性指标和操纵性指标。滤波器网络参数运用经典控制理论中的频域分析法选取，使得侧喷流姿态控制系统额定状态满足弹性幅值域度大于10dB,拉偏状态满足弹性幅值域度大于6dB。
在滤波器设计时，需要将设计好的滤波参数代入侧喷流姿态仿真控制系统进行数学仿真验证，在数学仿真中可查看弹性姿态角速度、弹性姿态角偏差随时间变化的曲线图，总体部门对这两个变量的正常范围提出了具体指标。如果仿真结果显示变量在指标范围内，则说明设计是正确的；如果仿真结果显示变量超出指标范围内，则说明设计需要改进的，需要重新设计步骤S2中的网络参数等，直到仿真结果满足总体提的指标要求为止。
本实施例根据箭体弹性运动特性，综合考虑满足稳定性指标要求，选取合适的参数，设计的陷波结构滤波器为：
Figure BDA0001376082520000046
式中，
Figure BDA0001376082520000047
Δψ为俯仰姿态角偏差，
Figure BDA0001376082520000048
Δψlb为经俯仰通道陷波滤波器输出的俯仰通道姿态角偏差，参数A0、A1、A2、B1、B2为滤波器网络参数，设计完成后通过插值表的方式给出。
S4、设计与控制性能相匹配的控制门限，合理控制侧喷流喷管开启频率。
本实施例在陷波滤波器设计的基础上，根据控制效率对侧喷流控制门限进行设计，开关门限设计一般根据姿态控制的精度、姿控发动机累计开关动作次数等因素综合考虑。控制精度要求高时，开关门限随之提高，例如：当控制精度要求姿态角偏差在1°以内时，则开关门限一般应设计小于或等于0.9°；另外姿控发动机总开关次数是有限的，应该根据发动机能力设置开关次数，从而间接影响开关门限的大小；推进剂消耗量的限制也是开关门限考虑的一个因素，开关门限大则消耗量低，反之则消耗量高。
通过数学仿真试验和半实物仿真试验，可验证侧喷流控制门限设计的正确性，在仿真试验中设置各种拉偏条件，可检验姿态控制系统的鲁棒性以及稳定品质。
S5、设计智能节能控制策略，使开启频率门限进行自适应调整。
如图3所示的侧喷流智能节能控制策略流程图，控制网络输出的初步的侧喷流姿控发动机指令，经过节能措施后，如果不满足节能要求则关闭，如果满足节能措施，则进入自适应控制策略，在该阶段需要结合姿态控制系统控制效果及开启频率，综合进行自适应参数设计，经过设计、仿真的迭代，使得喷管开启频率能够满足要求，即可较大程度抑制高频弹性振动的发生。
对进行节能控制策略处理，得到当前采样时刻俯仰、偏航、滚动姿控发动机的开启或关闭指令，处理过程如下：通过对当前时刻前N步采样周期的姿控发动机输出的指令进行统计，当在前N步中累计开启次数达到某一值M时，则姿控发动机输出的指令为关闭，M和N均为系统设计值。Ny、Nz、Nx(分别为俯仰/偏航/滚动通道的N)以及各通道姿控发动机累计开启次数的阈值Mx、My、Mz(分别为俯仰/偏航/滚动通道的M)根据各姿控发动机提供的控制力矩大小及要求达到的姿态控制精度确定。
通过上述智能节能控制策略，实现自适应调整，使侧喷流喷管开启频率的门限进行自适应调整，由当前采样时刻俯仰、偏航、滚动的数字校正网络输出，分别经过开关门限(设定阈值)比较之后，得到侧喷流姿控发动机的动作指令。
本发明在节能控制技术的基础上，提出了自适应变参控制方法，通过对运载火箭姿态控制情况进行实时判读，并根据判读结果自适应变参，达到控制效果最优的目的。
S6、通过数学仿真试验和半实物仿真试验，可验证智能节能、自适应变参设计的正确性，在仿真试验中设置各种拉偏条件，可检验姿态控制系统的鲁棒性以及稳定品质。
S7、如果步骤S6中的数学仿真试验显示错误，则返回步骤S3、S4、S5重新进行设计，如果显示正确则进入下一步骤。
S8、得到姿控发动机控制指令，流程结束。

Claims (5)

1.一种基于侧喷流控制的弹性振动抑制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、输入环境专业数据；
S2、根据环境专业提供的弹性运动相关数据，建立由侧喷流开关动作产生的弹性箭体角速度数学模型，所述侧喷流开关动作产生的弹性箭体角速度数学模型为：
Figure FDA0002817173760000011
Figure FDA0002817173760000012
其中：qi(t)为弹性体振动广义坐标，
Figure FDA0002817173760000013
为弹性角偏差，为需要求解的变量；
ζi为阻尼系数，ωi为固有频率，D3i为弹性运动方程系数，Wi'(XI)为振型斜率；
Ai函数值：
Figure FDA0002817173760000014
俯仰方向
Figure FDA0002817173760000015
函数值：
Figure FDA0002817173760000016
偏航方向
Figure FDA0002817173760000017
函数值：
Figure FDA0002817173760000018
S3、根据箭体弹性运动特性，设计相应的滤波器；
S4、设计与控制性能相匹配的控制门限，根据控制门限控制侧喷流喷管开启频率；
S5、设计智能节能控制策略，使开启频率门限进行自适应调整。
2.根据权利要求1所述的基于侧喷流控制的弹性振动抑制方法，其特征在于，所述步骤S3中，根据弹性箭体角速度数学模型特性，设计相应的陷波滤波器为：
Figure FDA0002817173760000021
所述
Figure FDA0002817173760000022
为弹性角偏差，
Figure FDA0002817173760000023
为经俯仰通道陷波滤波器输出的俯仰通道姿态角偏差，参数A0、A1、A2、B1、B2为滤波器网络参数。
3.根据权利要求1或2所述的基于侧喷流控制的弹性振动抑制方法，其特征在于：所述步骤S3中，在陷波滤波器设计的基础上，根据控制性能指标要求，设计合适的侧喷流开关门限，当控制量大于该开关门限时，则侧喷流喷管动作开启，反之则侧喷流喷管动作关闭。
4.根据权利要求1或2所述的基于侧喷流控制的弹性振动抑制方法，其特征在于：所述步骤S4中，在侧喷流开关门限设计的基础上，设计合适的智能节能控制策略是由当前采样时刻俯仰、偏航、滚动的数字校正网络输出，分别经过设定阈值的开关门限比较之后，得到侧喷流姿控发动机的动作指令。
5.根据权利要求4所述的基于侧喷流控制的弹性振动抑制方法，其特征在于进行节能控制策略处理，得到当前采样时刻俯仰、偏航、滚动姿控发动机的动作指令，包括：
通过对当前时刻前N步采样周期的姿控发动机输出的指令进行统计，当在前N步中累计开启次数达到某一值M时，则姿控发动机输出的指令为关闭，M和N均为系统设计值；Ny、Nz、Nx以及各通道姿控发动机累计开启次数的阈值Mx、My、Mz，根据各姿控发动机提供的控制力矩大小及要求达到的姿态控制精度确定。
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