CN109726358A - 一种基于三维坐标变换的前摆心喷管铰链耦合解耦算法 - Google Patents

一种基于三维坐标变换的前摆心喷管铰链耦合解耦算法 Download PDF

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潘龙
张中哲
杨金鹏
史晨虹
刘春庆
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Abstract

本发明属于适量耦合计算技术领域，具体涉及一种实现推力矢量控制用伺服系统的高精度与快速响应设计的基于三维坐标变换的前摆心喷管铰链耦合解耦算法；包括两台伺服伺服作动器均成90°配置，定义静坐标系O‑XYZ以喷管摆心为原点，固连于喷管摆心；X轴、Y轴分别为喷管2个单摆方向；动坐标系在初始状态下与静坐标系O‑X″Y″Z″一致，与喷管固连，随着喷管姿态的变化而变化，从喷管尾部看，静坐标系和动坐标系Z(Z″)轴垂直纸面向外；零位时，两个坐标系原点重合，坐标轴方向相平行；本发明包括以下步骤：步骤1.根据姿态角得到坐标系转换矩阵；步骤2.计算上述姿态角状态下作动器的位置；步骤3.得到作动器活塞杆的伸缩量。

Description

一种基于三维坐标变换的前摆心喷管铰链耦合解耦算法
技术领域
本发明属于适量耦合计算技术领域，具体涉及一种基于三维坐标变换的前摆心喷管铰链耦合解耦算法。
背景技术
推力矢量控制技术是通过改变火箭发动机或其他动力装置产生的燃气流方向来控制箭体的飞行方向和姿态角。固体火箭发动机推力矢量控制对伺服系统的控制精度、响应速度以及可靠性都有极高的要求，同时火箭控制系统对产品自身的重量、体积都有严格的要求。因此，在体积与重量等约束条件严格的条件下，实现伺服系统的精确控制和快速响应控制是一个关键的技术问题。
全轴摆动喷管实现摆动的驱动装置是2路互成90°夹角作动器的伺服机构，通常当一个方向伺服作动器运动时，另一个方向作动器由于存在机械限制，使喷管除了主要向摆动作动器伸缩方向运动之外，也将在另一个作动器方向产生移动，这就是铰链耦合效应。伺服机构的控制方案分为理想状态和非理想状态，理想状态是2路作动器不发生牵连，每路作动器伸缩时正负摆角对称，否则为非理想状态，对于导弹常采用的后摆心结构形式的喷管，作动器的牵连作用影响作用比较小，一般情况下可忽略。而对于前摆心深潜入式的喷管，由于喷管尺寸、结构等方面的限制，在推力向量控制过程中不能忽略2个方向的上相互牵连，为提高控制精度，需要考虑牵连效应对喷管摆动的影响，把非设计状态控制在一定范围内。
本发明提出一种推力矢量铰链耦合解耦控制用方法，对俯仰和偏航2个方向上作动器控制指令进行解耦计算。
发明内容
本发明的目的是，针对现有技术不足，提供一种实现推力矢量控制用伺服系统的高精度与快速响应设计的基于三维坐标变换的前摆心喷管铰链耦合解耦算法。
本发明的技术方案是：
一种基于三维坐标变换的前摆心喷管铰链耦合解耦算法，包括两台伺服伺服作动器均成90°配置，定义静坐标系O-XYZ以喷管摆心为原点，固连于喷管摆心；X轴、Y轴分别为喷管2个单摆方向；动坐标系在初始状态下与静坐标系O-X″Y″Z″一致，与喷管固连，随着喷管姿态的变化而变化，从喷管尾部看，静坐标系和动坐标系Z(Z″)轴垂直纸面向外；零位时，两个坐标系原点重合，坐标轴方向相平行；
本发明包括以下步骤：
步骤1.根据姿态角得到坐标系转换矩阵；
步骤2.计算上述姿态角状态下作动器的位置；
步骤3.得到作动器活塞杆的伸缩量。
所述步骤一中
若姿态角为α，β为喷管在2个方向上的单摆角度,坐标系转换矩阵为：
所述步骤二中作喷管摆动时，作动器下支点会随着喷管运动，作动器上支点始终保持不动；作动器1、2的上支点坐标分别为(c1,c2,c3)、(d1,d2,d3)
作动器1、2下支点在喷管运动前，相对于动坐标为(a1,a2,a3)，(b1,b2,b3)，定义下支点计算坐标为：
作动器下支点在喷管运动后，相对于静坐标系使用向量表示为：
则作动器1、2方向分别摆动角度α,β之后两作动器的长度为：
作动器活塞杆的伸缩量，即位移可由作动器的上、下支点之间的距离减去作动器初始长l0来确定为：
Δli＝li-l0(i＝1，2)
本发明的有益效果是：
(1)实现前摆芯喷管两通道完全解耦控制，降低喷管负载力矩要求，实现前摆芯喷管在运载型号中的应用；
(2)解析法求解，无数值计算误差，精度高；
(3)采用数字伺服控制器易于实现，计算量小，运算速度快，不影响伺服闭环控制特性。
附图说明
图1是系统坐标系定义图；
图2是系统坐标系含作动器定义图；
图3为本发明给出的方法所使用的系统坐标系和旋转角度绕Y’轴旋转时的情况定义图；
图4为本发明给出的方法所使用的系统坐标系和旋转角度绕X轴旋转时的情况定义图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的介绍：
一种基于三维坐标变换的前摆心喷管铰链耦合解耦算法，包括两台伺服伺服作动器均成90°配置，定义静坐标系O-XYZ以喷管摆心为原点，固连于喷管摆心；X轴、Y轴分别为喷管2个单摆方向；动坐标系在初始状态下与静坐标系O-X″Y″Z″一致，与喷管固连，随着喷管姿态的变化而变化，从喷管尾部看，静坐标系和动坐标系Z(Z″)轴垂直纸面向外；零位时，两个坐标系原点重合，坐标轴方向相平行；
本发明包括以下步骤：
步骤1.根据姿态角得到坐标系转换矩阵；
步骤2.计算上述姿态角状态下作动器的位置；
步骤3.得到作动器活塞杆的伸缩量。
所述步骤一中
若姿态角为α，β为喷管在2个方向上的单摆角度,坐标系转换矩阵为：
所述步骤二中作喷管摆动时，作动器下支点会随着喷管运动，作动器上支点始终保持不动；作动器1、2的上支点坐标分别为(c1,c2,c3)、(d1,d2,d3)
作动器1、2下支点在喷管运动前，相对于动坐标为(a1,a2,a3)，(b1,b2,b3)，定义下支点计算坐标为：
作动器下支点在喷管运动后，相对于静坐标系使用向量表示为：
则作动器1、2方向分别摆动角度α,β之后两作动器的长度为：
作动器活塞杆的伸缩量，即位移可由作动器的上、下支点之间的距离减去作动器初始长l0来确定为：
Δli＝li-l0(i＝1，2)
实施例
如图1和图2所示，两台伺服作动器均成90°配置，A、B分别为作动器1、2下支点，C、D分别为作动器1、2上支点。静坐标系O-XYZ以喷管摆心为原点，固连于喷管摆心；X轴、Y轴分别为喷管2个单摆方向。
假设不考虑喷管形变，则作动器下支点与喷管摆心的相对位置是固定的，即在坐标系O-XYZ中下支点的坐标是唯一确定的。当控制系统的指令为(α,β)，合成摆动可以分解为两步完成：先沿作动器1运动方向摆动角度α，到达中间过渡位置，再沿作动器2运动方向摆动角度β，得到O-X″Y″Z″。
所以变换矩阵为：
其中α,β的符号由右手定则确定。
作喷管摆动时，作动器下支点会随着喷管运动，作动器上支点始终保持不动。作动器1、2的上支点坐标分别为(c1,c2,c3)、(d1,d2,d3)
作动器1、2下支点在喷管运动前，相对于动坐标为(a1,a2,a3)，(b1,b2,b3)，定义下支点计算坐标为：
作动器下支点在喷管运动后，相对于静坐标系使用向量表示为：
则作动器1、2方向分别摆动角度α,β之后两作动器的长度为：
作动器活塞杆的伸缩量(即位移)可由作动器的上、下支点之间的距离减去作动器初始长l0来确定为：
Δli＝li-l0(i＝1,2)。

Claims (4)

1.一种基于三维坐标变换的前摆心喷管铰链耦合解耦算法，其特征于：两台伺服伺服作动器均成90°配置，定义静坐标系O-XYZ以喷管摆心为原点，固连于喷管摆心；X轴、Y轴分别为喷管2个单摆方向；动坐标系在初始状态下与静坐标系O-X″Y″Z″一致，与喷管固连，随着喷管姿态的变化而变化，从喷管尾部看，静坐标系和动坐标系Z(Z″)轴垂直纸面向外；零位时，两个坐标系原点重合，坐标轴方向相平行；
本发明包括以下步骤：
步骤1.根据姿态角得到坐标系转换矩阵；
步骤2.计算上述姿态角状态下作动器的位置；
步骤3.得到作动器活塞杆的伸缩量。
2.如权利要求1所述的一种基于三维坐标变换的前摆心喷管铰链耦合解耦算法，其特征在于：所述步骤一中
若姿态角为α，β为喷管在2个方向上的单摆角度,坐标系转换矩阵为：
。
3.如权利要求1所述的一种基于三维坐标变换的前摆心喷管铰链耦合解耦算法，其特征在于：所述步骤二中作喷管摆动时，作动器下支点会随着喷管运动，作动器上支点始终保持不动；作动器1、2的上支点坐标分别为(c1,c2,c3)、(d1,d2,d3)
作动器1、2下支点在喷管运动前，相对于动坐标为(a1,a2,a3)，(b1,b2,b3)，定义下支点计算坐标为：
作动器下支点在喷管运动后，相对于静坐标系使用向量表示为：
则作动器1、2方向分别摆动角度α,β之后两作动器的长度为：
。
4.如权利要求1所述的一种基于三维坐标变换的前摆心喷管铰链耦合解耦算法，其特征在于：作动器活塞杆的伸缩量，即位移可由作动器的上、下支点之间的距离减去作动器初始长l0来确定为：
Δli＝li-l0 (i＝1，2) 。
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