CN109779866A - 一种电推进矢量推力控制方案 - Google Patents

Abstract

本发明属于航天推进控制领域，本发明提供了一种电推进矢量推力控制方案，实现步骤如下，建立推进器坐标系；试验测试偏转角与偏转电压、总推力的关系，验证相应插值方法；试验测试总推力与发射电压的关系，验证相应的插值方法；根据目标矢量推力计算目标发射电压和偏转电压；电推进器实际电压调节至目标电压；使用变权重系数法多目标闭环控制进行推力精确调节。本发明适用于二维静电类矢量电推进器，可快速准确实现矢量推力控制。

Description

一种电推进矢量推力控制方案

技术领域

本发明属于航天推进控制领域，涉及一种电推进矢量推力控制方案。

背景技术

电推进器是指利用电能加速带电工质，产生推力的一类推进器。例如霍尔推进器、铟推进器、离子液体推进器、脉冲等离子体推进器等。这些推进器推力从微牛顿到几牛顿范围不等，广泛应用于航天推进领域。基于带电粒子在静电场中的偏转可以实现能进行矢量推力的电推进器，这是一类新型电推进方式，可以在三个坐标方向同时产生推力，从而实现更为复杂的任务。这类推进器在x方向和y方向分别有偏转电极，用于对带电粒子进行偏转，对两个方向同时进行偏转，可以实现二维平面大范围的推力输出，同时调节总推力输出，可实现三个方向推力的同时控制。为了实现矢量推力的控制，本发明提出了一种电推进矢量推力控制方案。

发明内容

要解决的技术问题

现有一类电推进器，具有矢量推力输出能力，其工作过程需要调节相应的参数值，来达到期望的矢量推力，为解决这类矢量电推进器的推力控制问题，本发明提出了一种电推进矢量推力控制方案。

技术方案

1.如图1所示，一种电推进矢量推力控制方案，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：建立推进器坐标系，所述坐标系为空间笛卡尔坐标系，z轴正方向与电推进器轴心重合，指向带电粒子排出方向，x方向和y方向满足右手系规则。

步骤二：通过试验获得电推进器x方向偏转角θ_x、与x方向偏转电压U_x和总推力F的关系(1)，通过试验获得电推进器y方向偏转角θ_y、与y方向偏转电压U_y和总推力F的关系(2)，并建立相应的插值方法(3)，所下如示：

θ_x＝f₁(U_x,F)(1)

θ_y＝f₂(U_y,F)(2)

(U_x,U_y)＝f₃(θ_x,θ_y,F)(3)

步骤三：通过试验获得电推进器总推力F与发射电压U的关系(4)，并建立相应的插值方法(5)，如下所示：

F＝f₄(U)(4)

U＝f₅(F)(5)

步骤四：基于三个方向的推力需求F_x、F_y和F_z，根据公式(6)求解得到电推进器总推力F，以及x方向偏转角和y方向偏转角，如下所示：

如图2所示，一个矢量推力F，可以分解到x，y，z三个方向，分别为F_x、F_y和F_z，其中矢量推力可以用总推力值、x方向偏转角和y方向偏转角进行表示，各力的分量之间满足：

步骤五：利用试验得到的关系式(1)(2)(4)，和插值方法(3)(5)，计算发射电压U、x方向偏转电压U_x和y方向偏转电压U_y的大小，并调节到相应电压值。

步骤六：实时测量三个方向的实际推力大小，作为闭环控制系统的反馈输入，微调发射电压、x方向偏转电压和y方向偏转电压使推力达到期望要求。

2.所述的一种电推进矢量推力控制方案，其特征在于步骤二的实现过程如下：

步骤2.1：在额定推力范围内取N个总推力值，并应当包含推力下限和推力上限，在每一个总推力值下，改变x方向偏转电压，使羽流在x方向的偏转角从0变化到最大偏转角，从而得到x方向偏转角与x方向偏转电压、总推力值的关系(1)。

步骤2.2：在额定推力范围内取N个总推力值，并应当包含推力下限和推力上限，在每一个总推力值下，改变y方向偏转电压，使羽流在y方向的偏转角从0变化到最大偏转角，从而得到y方向偏转角与y方向偏转电压、总推力值的关系(2)。

步骤2.3：验证插值方法(3)的可行性，随机取工作包线内的若干个没有试验值的偏转角，插值得到其偏转电压，并进行试验验证，通过进行试验-验证-试验的迭代，得到一个可行的插值方法(3)和关系(1)(2)。

3.根据权利要求1所述的一种电推进矢量推力控制方案，其特征在于步骤六的实现过程如下：

步骤6.1：由于实际中x方向和y方向的偏转会产生相互影响，步骤五调节得到的推力会与期望推力有微小差距，通过测量三个方向的差异值，作为闭环控制系统的反馈输入。

步骤6.2：采用变权重系数法进行多目标闭环控制作为推力的准确控制方式，实现推力控制。

有益效果

通过本控制方案可以实现对一类矢量电推进器的矢量控制，使矢量推进器按照预期推力输出进行工作，本方案利用试验数据建立的插值方法，快速找到大致的控制电压参数值，并配合闭环控制系统，可以实现矢量推力控制，从而使电推进器可应用于更复杂的空间任务。

附图说明

图1：方案逻辑图

图2：三维空间力分解示意图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，本发明提供了一种电推进矢量推力控制方案，包括如下步骤：

步骤一：建立推进器坐标系，所述坐标系为空间笛卡尔坐标系，z轴正方向与电推进器轴心重合，指向带电粒子排出方向，x方向和y方向满足右手系规则。

步骤二：通过试验获得电推进器x方向偏转角与x方向偏转电压和总推力的关系(1)，通过试验获得电推进器y方向偏转角与y方向偏转电压和总推力的关系(2)，并建立相应的插值方法(3)。

步骤三：通过试验获得电推进器总推力F与发射电压U的关系(4)，并建立相应的插值方法(5)。

步骤四：基于三个方向的推力需求F_x、F_y和F_z，根据公式(6)求解得到电推进器总推力F，以及x方向偏转角和y方向偏转角。

步骤五：利用试验得到的关系式(1)(2)(4)，和插值方法(3)(5)，计算出发射电压、x方向偏转电压和y方向偏转电压的大小，并调节到相应电压值。

步骤六：实时测量三个方向的实际推力大小，作为闭环控制系统的反馈输入，微调发射电压、x方向偏转电压和y方向偏转电压使推力达到期望要求。

实施例1如图1所示，通过试验测得某型矢量推力离子液体电推进器的偏转角度和偏转电压、总推力具有(1)(2)(3)所示的关系，总推力与发射电压具有(4)(5)所示关系，由于物理问题的特定性，可以假设函数关系(1)(2)(4)均为单调函数，且已经验证二维多项式插值方法可以在试验数据量充分的情况下得到合理的结果；某任务要求电推进器输出推力在三个方向分别为F_x、F_y和F_z，根据公式(6)可以快速得到目标发射电压U、x方向偏转电压U_x、y方向偏转电压U_y,通过调节电推进器相应电源的输出值分别达到U、U_x、U_y。由于x方向的偏转与y方向的偏转不是完全独立的，两者之间会产生相互影响，加上偏转后空间电场的改变，会使得此时的实际推力与期望推力存在一定差异，使用变权重系数法的多目标闭环控制实现对推力的最终精确调整。

Claims (3)

1.一种电推进矢量推力控制方案，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：建立推进器坐标系，所述坐标系为空间笛卡尔坐标系，z轴正方向与电推进器轴心重合，指向带电粒子排出方向，x方向和y方向满足右手系规则。

步骤二：通过试验获得电推进器x方向偏转角与x方向偏转电压和总推力的关系(1)，通过试验获得电推进器y方向偏转角与y方向偏转电压和总推力的关系(2)，并建立相应的插值方法(3)。

步骤三：通过试验获得电推进器总推力F与发射电压U的关系(4)，并建立相应的插值方法(5)。

步骤四：基于三个方向的推力需求Fx、Fy和Fz，根据公式(6)求解得到电推进器总推力F，以及x方向偏转角和y方向偏转角。

步骤五：利用试验得到的关系式(1)(2)(4)，和插值方法(3)(5)，计算出发射电压、x方向偏转电压和y方向偏转电压的大小，并调节到相应电压值。

步骤六：实时测量三个方向的实际推力大小，作为闭环控制系统的反馈输入，微调发射电压、x方向偏转电压和y方向偏转电压使推力达到期望要求。

2.根据权利要求1所述的一种电推进矢量推力控制方案，其特征在于步骤二的实现过程如下：

步骤2.1：在额定推力范围内取N个总推力值，并应当包含推力下限和推力上限，在每一个总推力值下，改变x方向偏转电压，使羽流在x方向的偏转角从0变化到最大偏转角，从而得到x方向偏转角与x方向偏转电压、总推力值的关系(1)。

步骤2.2：在额定推力范围内取N个总推力值，并应当包含推力下限和推力上限，在每一个总推力值下，改变y方向偏转电压，使羽流在y方向的偏转角从0变化到最大偏转角，从而得到y方向偏转角与y方向偏转电压、总推力值的关系(2)。

步骤2.3：验证插值方法(3)的可行性，随机取工作包线内的若干个没有试验值的偏转角，插值得到其偏转电压，并进行试验验证，通过进行试验-验证-试验的迭代，得到一个可行的插值方法(3)和关系(1)(2)。

3.根据权利要求1所述的一种电推进矢量推力控制方案，其特征在于步骤六的实现过程如下：

步骤6.1：由于实际中x方向和y方向的偏转会产生相互影响，步骤五调节得到的推力会与期望推力有微小差距，通过测量三个方向的差异值，作为闭环控制系统的反馈输入。

步骤6.2：采用变权重系数法进行多目标闭环控制作为推力的准确控制方式，实现推力控制。