CN107966992A - 一种重复使用运载器控制重构方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重复使用运载器控制重构方法和系统，其中，所述方法，包括：对传感器的输出信息进行实时监测和解析；根据所述传感器的输出信息的解析结果，选择与所述解析结果相匹配的控制策略；根据选择的控制策略，对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构。通过本发明实现了在整个飞行任务过程中对重复使用运载器控制系统的自适应重构。

Description

一种重复使用运载器控制重构方法和系统

技术领域

本发明属于重复使用运载器技术领域，尤其涉及一种重复使用运载器控制重构方法和系统。

背景技术

航天运输系统的技术水平代表着一个国家自主进出空间的能力，体现着一个国家利用空间和发展空间技术的能力，维护着一个国家的空间安全和空间利益，也是综合国力的象征。随着近年来航天运输领域的快速发展，“重复使用”概念越来越受到重视。重复使用运载器是降低航天运输成本、提高安全可靠性、缩短转场准备时间的理想运输工具，是未来我国航天运输系统的重要组成部分。另外，从技术发展规律来看，航天运输系统从一次性使用向重复使用发展也是技术发展的必然趋势。因此发展技术性能更先进、能重复使用的航天运输系统对于满足我国未来空间开发和降低发射成本等需求具有重要的意义。

自上个世纪六十年代以来，以美国为代表的世界航天强国分别开展了重复使用航天运输系统的研究与探索，研发了一系列重复使用运载器，对多种技术途径投入了大量的资金与人员。美国空军提出了可重复使用军用空间飞机系统，先后成功完成了空间机动飞行器技术验证机X-37B四次飞行试验，验证了长期在轨飞行、大范围轨道机动、重复使用轨道再入等关键技术；2013年提出了火箭动力、垂直起飞、水平着陆的亚轨道运输飞行器技术验证机XS-1计划，预计于2019年首飞。此外，美国私营公司SpaceX公司积极探索了垂直起降重复使用运载火箭之路，其猎鹰9号运载火箭一级垂直降落于地面、海上浮动平台的试验先后获得成功。

重复使用运载器具有复杂的气动外形，配置多舵面执行机构，且需适应高密度发射任务，多次重复使用对运载器适应任务的多样性和可靠性等提出了更高要求。传统运载火箭的姿态控制一般通过主发动机推力矢量和少量RCS(Reaction Controlling System，反作用控制系统)完成，且只保证一次飞行任务成功，不考虑故障情况下的系统重构，无法适应重复使用任务模式。为了完成高精度、高稳定度的飞行任务，重复使用运载器对控制系统可靠性和安全性等提出了更高的要求。

系统的可靠性在很大程度上取决于运载器执行机构和传感器的运行工况。由于重复使用运载器工作在真空、失重、高低温和强辐射等各种恶劣环境下，以及因长时间工作导致的系统部件老化等问题，导致运载器执行机构或传感器故障的产生，从而影响整个控制系统的可靠性。例如，执行机构发生故障会导致运载器产生不平衡的气动力和力矩，破坏运载器原有的气动力分布，如不及时处理将会导致运载器无法完成飞行任务，严重时会在短时间内失去平衡发生危险事故。因此，如何实现对控制系统执行机构的重构，满足未来重复使用运载器复杂任务模式下的姿态稳定要求，是本领域技术人员亟需解决的问题之一。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种重复使用运载器控制重构方法和系统，实现了在整个飞行任务过程中对重复使用运载器控制系统的自适应重构。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种重复使用运载器控制重构方法，包括：

对传感器的输出信息进行实时监测和解析；

根据所述传感器的输出信息的解析结果，选择与所述解析结果相匹配的控制策略；

根据选择的控制策略，对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构。

在上述重复使用运载器控制重构方法中，所述根据选择的控制策略，对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构，包括：

根据选择的控制策略，对所述重复使用运载器的控制系统进行控制增益重构、和/或、执行机构重构。

在上述重复使用运载器控制重构方法中，

当舵面反馈小于设定条件时，对所述重复使用运载器的控制系统进行控制增益重构；其中，所述控制增益重构，用于对控制反馈增益进行重构；

当舵面反馈大于设定条件时，对所述重复使用运载器的控制系统进行控制增益重构和执行机构重构；其中，所述执行机构重构，用于基于次操纵机构进行重构。

在上述重复使用运载器控制重构方法中，还包括：

根据所述传感器的输出信息的解析结果，确定控制偏差是否大于设定偏差；

若确定控制偏差大于设定偏差，则选择与所述解析结果相匹配的控制策略。

在上述重复使用运载器控制重构方法中，所述控制策略，包括：复合控制策略、RCS重构控制策略和舵面重构控制策略。

在上述重复使用运载器控制重构方法中，所述根据选择的控制策略，对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构，包括：

当选择的控制策略为复合控制策略时，选取舵面作为主操纵量、RCS作为次操纵量，对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构；

当选择的控制策略为RCS重构控制策略时，选取次操纵机构作为辅助控制，对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构；

当选择的控制策略为舵面重构控制策略时，选择俯仰重构控制和滚转重构控制对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构。

在上述重复使用运载器控制重构方法中，舵面和RCS平行使用；其中，当舵面饱和时，启用RCS。

在上述重复使用运载器控制重构方法中，所述次操纵机构与主操纵机构互为备份；其中，主操纵机构，包括：编号分别为1、3、5、···、2i-1的i个喷管；次操纵机构，包括：编号分别为2、4、6、···、2i的i个喷管。

在上述重复使用运载器控制重构方法中，还包括：

通过执行机构重构，进行俯仰重构控制；以及，通过控制增益重构，进行滚转重构控制。

相应的，本发明还公开了一种重复使用运载器控制重构系统，包括：

监控模块，用于对传感器的输出信息进行实时监测和解析；

选择模块，用于根据所述传感器的输出信息的解析结果，选择与所述解析结果相匹配的控制策略；

重构模块，用于根据选择的控制策略，对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构。

本发明具有以下优点：

本发明所述的重复使用运载器控制重构方法，可以应用于重复使用运载器高频次发射、复杂的任务模式下，故障发生时，不改变控制方案，仅重构控制反馈增益，并借助其他执行机构，保证系统的稳定性，解决了现有控制系统在执行机构故障时导致舵面效率降低，控制能力不足，从而导致重复使用运载器失控的问题。其次，执行机构重构采用主次操纵备份方式，每个通道都设置主操纵机构和次操纵机构，正常情况下采用主机构进行控制，故障情形下次机构进行辅助控制，实现了在单个执行机构故障的情况下，将姿态控制偏差与角速率均控制在某一可控的范围内，提高了控制系统的鲁棒性和可靠性。此外，基于舵面、RCS复合控制实现的自适应重构控制方法，具有高效率、高可靠性的优点。

附图说明

图1是本发明实施例中一种重构控制结构示意图；

图2是本发明实施例所述的一种重复使用运载器控制重构方法的步骤流程图；

图3是本发明实施例中一种复合控制策略示意图；

图4是本发明实施例中一种两级分配策略示意图；

图5是本发明实施例中一种两级控制分配结构示意图；

图6是本发明实施例中一种多模态同步运算时的控制律瞬变抑制示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。

对于重复使用运载器故障条件下的控制律研究可以分为两大类，一是主动重构控制技术，二是被动重构控制技术，即容错控制技术。其中，主动重构控制技术需要对故障进行检测与诊断，根据故障信息重构新的控制系统，保证系统的稳定性。被动容错技术则不依赖与故障检测与诊断，根据当前的传感器信息，设计自适应能力强的控制律，故障发生时，不改变控制方案，仅重构控制反馈增益，并借助其他执行机构，保证系统的稳定性。被动重构技术不依赖与故障诊断信息，不改变控制结构，不进行控制律切换，工程实现相对简单。本发明所述的重复使用运载器控制重构方案是一种被动重构技术下的复合控制方案。

参照图1，示出了本发明实施例中一种重构控制结构示意图。本发明所述的重复使用运载器控制重构方法主要可以包括：控制增益重构和执行机构重构。其中，控制增益重构用于舵面未饱和的情形，执行机构重构则主要用于舵面饱和的情形。控制增益重构不改变控制结构，仅重构控制反馈增益，提高舵面的使用效率。执行机构重构采用主次操纵备份方式，每个通道都设置主操纵机构和次操纵机构，正常情况下采用主操纵机构进行控制，故障情形下次操纵机构进行辅助控制。本发明在现有执行机构配置的情况下，采用不改变舵面结构，不增加附加冗余的被动重构控制方案，利用现有的控制系统冗余资源，保障故障模式下的控制效果，对于发展新一代廉价、可靠的重复使用运载器具有重要的意义。

本发明所述的重复使用运载器控制重构方法的基本策略为：1、当控制偏差大于设定偏差、且舵面反馈小于设定条件(舵面重构设定条件)时，采用控制增益重构；2、当控制偏差大于设定偏差、且舵面反馈大于设定条件时，采用控制增益重构和执行机构重构的综合重构。

参照图2，示出了本发明实施例所述的一种重复使用运载器控制重构方法的步骤流程图。在本实施例中，所述重复使用运载器控制重构方法，包括：

步骤201，对传感器的输出信息进行实时监测和解析。

步骤202，根据所述传感器的输出信息的解析结果，选择与所述解析结果相匹配的控制策略。

在本实施例中，根据所述传感器的输出信息的解析结果，可以确定控制偏差是否大于设定偏差；若确定控制偏差大于设定偏差，则选择与所述解析结果相匹配的控制策略。

进一步的，在上述控制偏差大于设定偏差的基础上，当舵面反馈小于设定条件(舵面重构设定条件)时，对所述重复使用运载器的控制系统进行控制增益重构；当舵面反馈大于设定条件时，对所述重复使用运载器的控制系统进行控制增益重构和执行机构重构。

其中，如前所述，控制增益重构，用于对控制反馈增益进行重构，也即，控制增益重构不改变控制结构，仅重构控制反馈增益，提高舵面的使用效率。执行机构重构，用于基于次操纵机构进行重构，也即，在故障情形下采用次操纵机构作为辅助控制进行重构。

步骤203，根据选择的控制策略，对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构。

在本实施例中，如前所述，对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构，包括但不仅限于：对所述重复使用运载器的控制系统进行控制增益重构、和/或、执行机构重构。

优选的，在本实施例中，所述控制策略，包括但不仅限于：复合控制策略、RCS重构控制策略和舵面重构控制策略。

复合控制策略

当选择的控制策略为复合控制策略时，选取舵面作为主操纵量、RCS作为次操纵量，对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构。

在本实施例中，参照图3，示出了本发明实施例中一种复合控制策略示意图。在复合控制策略(RCS与舵面)中，RCS与舵面也采用主次控制方式：舵面为主，RCS为辅；RCS与舵面均参与控制。其中，为了降低RCS流量的消耗，应最大程度地使用舵面，尽可能减少RCS推力器的使用，故，可选取以舵面作为主操纵量，RCS为次操纵量，在气动面饱和后才启用RCS。

优选的，RCS与舵面的复合控制策略主要体现在以下几个方面：1)RCS与舵面平行使用；2)RCS按照“控制死区”和“舵面饱和”条件开启；3)“控制死区”是动压的函数。

由于重复使用运载器的气动特性、舵面的操纵效率存在很大的不确定性，RCS与舵面复合使用时，很难采用直接分配的方式，需要从反馈的角度解决气动不确定性的问题。为了充分发挥舵面的能力，采用以舵面控制为主，RCS为辅，二者平行使用的方案，如图3所示，当舵面能力不足(饱和)时，开启RCS。进一步的，由于不确定性的存在，对于舵面的控制能力难以通过其产生的最大控制力矩直接描述，对此采用引入“控制死区”和“舵面饱和”的间接方法评价舵面的控制能力。其中，“控制死区”可以是人为设定的一个门限值。当姿态的控制偏差在“控制死区”范围之内时，认为舵面有能力控制重复使用运载器姿态，并保证重复使用运载器姿态偏差逐渐收敛到原点，那么此时仅使用舵面控制；当姿态的控制偏差在“控制死区”范围之外时，仅靠舵面无法稳定重复使用运载器姿态，或者稳定重复使用运载器姿态的调节时间过长，控制性能较差，则此时需要开启RCS辅助控制。

其中，“控制死区”可理解为舵面控制能力的临界值，在“控制死区”内，舵面的控制能力保证重复使用运载器的控制性能；在“控制死区”之外，舵面无法保证重复使用运载器姿态的控制性能，需要通过引入RCS控制，逐渐把重复使用运载器姿态控制到“控制死区”之内，然后交付于舵面控制，“控制死区”是对气动控制能力的一种间接评价。“控制死区”随着高度的降低，动压的增大，舵面的效率越来越高，“控制死区”越来越大，RCS参与控制的概率越来越小，从而达到节省燃料的目的。另外，舵面饱和也是评价舵面能力的一种手段，当舵面饱和时，需要RCS进行辅助控制。

RCS重构控制策略

当选择的控制策略为RCS重构控制策略时，选取次操纵机构作为辅助控制，对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构。

在本实施例中，次操纵机构与主操纵机构互为备份。其中，主操纵机构可以包括：编号分别为1、3、5、…、2i-1的i个喷管；次操纵机构可以包括：编号分别为2、4、6、…、2i的i个喷管(i为大于等于1的整数)。也即，主操纵机构和次操纵机构的喷管数量相同，互为备份。

例如，当前的喷管配置方案下，共有12个喷管，分为功能相同的2组，互为备份。为了方便重构，控制系统设计时，将位于同一平面内的1，3，5，7，9，11号喷管作为主操纵机构，2，4，6，8，10，12号喷管作为次操纵机构，主操纵机构故障时，次操纵机构辅助控制。

优选的，主操纵机构中，1号和7号喷管可以用于控制重复使用运载器抬头，5号和11号喷管可以用于控制重复使用运载器低头，3号喷管可以用于控制右偏航，9号喷管可以用于控制左偏航。次操纵机构中，2号和8号喷管可以用于控制重复使用运载器抬头，6号和12号喷管可以用于控制重复使用运载器低头，4号喷管可以用于控制右偏航，10号喷管可以用于控制左偏航。

在本实施例中，基于RCS的控制重构仅考虑执行机构的重构，即喷管的重构。RCS的喷管重构采用主喷管操纵，次喷管辅助的策略：当控制偏差在设定的范围内时，采用主喷管进行操纵，当控制偏差超出设定的范围时，次喷管开启。三个通道采用相同的重构策略。

在本实施例中，对于重复使用运载器的控制分配按如下策略实施：

参照图4，示出了本发明实施例中一种两级分配策略示意图。如图4，基于链式递增控制分配方案(Daisy-Chaining)将众多的操纵面按优先级进行分组，并按照一定的准则依次实施控制，即当第一组的某些操纵面发生约束饱和或不能产生期望的控制作用时，接入第二组操纵面来进行补偿。对于重复使用运载器的控制分配策略问题，在两级分配时对舵面及RCS均按此策略实施。

优选的，参照图5，示出了本发明实施例中一种两级控制分配结构示意图。如图5，对于执行机构的控制分配策略，采用两级控制分配构成：第一级控制分配，将总控制作用力矩M_c分为舵面作用力矩kM_c和RCS作用力矩(1-k)M_c。第二级控制分配，在第一级控制分配的基础上，将舵面作用力矩和RCS作用力矩分配到各舵面及各RCS推力器上，生成舵面偏角δ_aero及RCS点火指令M_RCS，也即，第一级控制分配把总的控制作用力矩利用合理的控制分配策略分为舵面作用力矩和RCS作用力矩；第二级控制分配将分配的指令力矩分配到各个操作面和RCS发动机上。

其中，需要说明的是，为了便于工程实践，本发明中两级控制分配均为基于链式递增的控制分配策略。k代表随飞行条件变化的权值，且0≤k≤1。

进一步优选的，在本实施例中，在控制分配过程中，为了避免控制切换时的跳变和抖动，控制分配的权值需要能够实现控制模式间的平滑切换。为了避免不同控制模态切换时的跳变，最常用的方法是在切换时加入软化环节。实现模态转换的软化环节有多种，本发明采用最易于工程实现的多模态同步运算瞬变抑制法。

参照图6，示出了本发明实施例中一种多模态同步运算时的控制律瞬变抑制示意图。如图6，多模态同步运算瞬变抑制法利用淡化环节a/(s+a)(a是一个常值，s是控制用频域系统符号，a/(s+a)代表信号的过渡环节)使被切换的模态A逐渐淡出，需要接入的模态B逐渐淡入，具有良好的瞬变抑制效果。同时，模态A的淡出过程相当于控制器A的输出A(t)乘以其中，t₀表示起始转换时刻。模态B的淡入过程相当于控制器B的输出B(t)乘以故，在切换过程中，系统所执行的控制律实际上为：

由于该控制律只出现在短时间的淡化过程中，且重叠现象又是按指数规律迅速消失的，由此而引起的对系统的影响能够很快消失，故实际使用中需通过充分的仿真和试验来调整参数a，以获得满意的模态切换效果。

从而，在控制力矩分配中：同理，该控制律只出现在短时间的淡化切换过程中，且重叠现象又是按指数规律迅速消失的，由此而引起的对系统的影响能够很快消失，故实际使用中需通过充分的仿真和试验来调整参数a，以获得满意的平滑切换效果。

舵面重构控制策略

当选择的控制策略为舵面重构控制策略时，选择俯仰重构控制和滚转重构控制对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构。

升降副翼在实际使用中提供俯仰力矩和滚转力矩。升降副翼单片故障时，另一片正常舵面转动时会同时产生俯仰，滚转以及偏航力矩，对三个通道的控制同时产生不利的影响。且单片舵面卡死时，卡死的舵面总是产生恒定的俯仰，滚转以及偏航力矩。

在本实施例中，升降副翼单片故障对俯仰通道产生一个干扰力矩，影响俯仰配平，对俯仰操纵效率无影响。因此，升降副翼单片故障时，主要考虑执行机构重构，也即，通过执行机构重构，进行俯仰重构控制。此外，升降副翼作为滚转控制的主操纵面，单片故障后，滚转操纵效率降低，同时对滚转与偏航通道产生干扰力矩，舵面效率降低，需要重构控制增益，也即，通过控制增益重构，进行滚转重构控制。

综上所述，本发明所述的重复使用运载器控制重构方法，可以应用于重复使用运载器高频次发射、复杂的任务模式下，故障发生时，不改变控制方案，仅重构控制反馈增益，并借助其他执行机构，保证系统的稳定性，解决了现有控制系统在执行机构故障时导致舵面效率降低，控制能力不足，从而导致重复使用运载器失控的问题。其次，执行机构重构采用主次操纵备份方式，每个通道都设置主操纵机构和次操纵机构，正常情况下采用主机构进行控制，故障情形下次机构进行辅助控制，实现了在单个执行机构故障的情况下，将姿态控制偏差与角速率均控制在某一可控的范围内，提高了控制系统的鲁棒性和可靠性。此外，基于舵面、RCS复合控制实现的自适应重构控制方法，具有高效率、高可靠性的优点。

在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种重复使用运载器控制重构系统，包括：监控模块，用于对传感器的输出信息进行实时监测和解析；选择模块，用于根据所述传感器的输出信息的解析结果，选择与所述解析结果相匹配的控制策略；重构模块，用于根据选择的控制策略，对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构。

对于系统实施例而言，由于其与方法实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种重复使用运载器控制重构方法，其特征在于，包括：

对传感器的输出信息进行实时监测和解析；

根据所述传感器的输出信息的解析结果，选择与所述解析结果相匹配的控制策略；

根据选择的控制策略，对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构。

2.根据权利要求1所述的重复使用运载器控制重构方法，其特征在于，所述根据选择的控制策略，对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构，包括：

根据选择的控制策略，对所述重复使用运载器的控制系统进行控制增益重构、和/或、执行机构重构。

3.根据权利要求2所述的重复使用运载器控制重构方法，其特征在于，

当舵面反馈小于设定条件时，对所述重复使用运载器的控制系统进行控制增益重构；其中，所述控制增益重构，用于对控制反馈增益进行重构；

当舵面反馈大于设定条件时，对所述重复使用运载器的控制系统进行控制增益重构和执行机构重构；其中，所述执行机构重构，用于基于次操纵机构进行重构。

4.根据权利要求1所述的重复使用运载器控制重构方法，其特征在于，还包括：

根据所述传感器的输出信息的解析结果，确定控制偏差是否大于设定偏差；

若确定控制偏差大于设定偏差，则选择与所述解析结果相匹配的控制策略。

5.根据权利要求1所述的重复使用运载器控制重构方法，其特征在于，所述控制策略，包括：复合控制策略、RCS重构控制策略和舵面重构控制策略。

6.根据权利要求5所述的重复使用运载器控制重构方法，其特征在于，所述根据选择的控制策略，对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构，包括：

当选择的控制策略为复合控制策略时，选取舵面作为主操纵量、RCS作为次操纵量，对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构；

当选择的控制策略为RCS重构控制策略时，选取次操纵机构作为辅助控制，对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构；

当选择的控制策略为舵面重构控制策略时，选择俯仰重构控制和滚转重构控制对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构。

7.根据权利要求6所述的重复使用运载器控制重构方法，其特征在于，舵面和RCS平行使用；其中，当舵面饱和时，启用RCS。

8.根据权利要求6所述的重复使用运载器控制重构方法，其特征在于，所述次操纵机构与主操纵机构互为备份；其中，主操纵机构，包括：编号分别为1、3、5、···、2i-1的i个喷管；次操纵机构，包括：编号分别为2、4、6、···、2i的i个喷管。

9.根据权利要求6所述的重复使用运载器控制重构方法，其特征在于，还包括：

通过执行机构重构，进行俯仰重构控制；以及，通过控制增益重构，进行滚转重构控制。

10.一种重复使用运载器控制重构系统，其特征在于，包括：

监控模块，用于对传感器的输出信息进行实时监测和解析；

选择模块，用于根据所述传感器的输出信息的解析结果，选择与所述解析结果相匹配的控制策略；

重构模块，用于根据选择的控制策略，对所述重复使用运载器的控制系统进行自适应重构。