CN112068581A - 飞行器复合控制方法、控制装置及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请实施例中提供了飞行器复合控制方法、控制装置及存储介质，飞行器复合控制方法包括：根据姿控喷管控制力及安装位置计算姿控喷管控制力预估系数，根据飞行器气动特性以及飞行状态数据计算平板空气舵控制能力预估系数，根据姿控喷管控制力预估系数以及平板空气舵控制能力预估系数分配飞行器控制指令生成姿控喷管控制指令以及平板空气舵控制指令，最后根据所述控制指令控制姿控喷管及平板空气舵。本申请提高了飞行器的可控性，解决了由于飞行器飞行初始阶段加速慢长时间处于低速状态，飞行器初始段控制力不足导致的飞行器本体稳定性及可控性差的问题。

Description

飞行器复合控制方法、控制装置及存储介质

技术领域

本申请属于航空航天技术领域，具体地，涉及一种飞行器复合控制方法、控制装置及存储介质。

背景技术

随着商业航空航天飞行器的场景需求的多样化，商业航天的发展对运载火箭低成本化提出了更高的要求，因此在执行机构选型时，创新性提出了“姿控喷管+平板空气舵”作为控制机构来取代传统的柔性喷管执行机构。但目前的平板空气舵与姿控喷管的复合控制属于一类直接力/气动力复合控制，直接力/气动力复合控制方法主要利用直接力提供瞬时大过载以提高拦截器末端命中精度。

但是，飞行器在飞行初始段，由于箭体加速缓慢，长时间处于低速状态，采用平板空气舵作为控制机构难以产生足够的控制力以抵抗干扰或进行转弯，而现有的平板空气舵与姿控喷管的复合控制方法并没有提高初始段飞行器可控性来解决这一问题，因此亟需一种新的采用平板空气舵与姿控喷管的复合控制方法来增强飞行器初始阶段可控性。

发明内容

本发明提出了一种飞行器复合控制方法、控制装置及存储介质，旨在解决现有技术中由于飞行器飞行初始阶段加速慢长时间处于低速状态，飞行器初始段控制力不足，从而导致的飞行器初始段本体稳定性及可控性差的问题。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种飞行器复合控制方法，包括以下步骤：

根据当前飞行状态下的姿控喷管控制力及安装位置计算姿控喷管控制力预估系数；根据当前飞行状态下的飞行器气动特性以及飞行状态数据计算平板空气舵控制能力预估系数；

根据姿控喷管控制力预估系数以及平板空气舵控制能力预估系数分配飞行器控制指令生成姿控喷管控制指令以及平板空气舵控制指令；

根据姿控喷管控制指令控制姿控喷管；根据平板空气舵控制指令控制平板空气舵。

根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种飞行器复合控制装置，具体包括：

姿控喷管控制力预估系数模块，用于根据姿控喷管控制力及安装位置计算姿控喷管控制力预估系数；

平板空气舵控制能力预估系数模块，用于根据飞行器气动特性以及飞行状态数据计算平板空气舵控制能力预估系数；

复合控制指令分配器，用于根据姿控喷管控制力预估系数以及平板空气舵控制能力预估系数分配飞行器控制指令生成姿控喷管控制指令以及平板空气舵控制指令；

姿控喷管控制器，用于根据姿控喷管控制指令控制姿控喷管；

平板空气舵控制器，用于根据平板空气舵控制指令控制平板空气舵。

根据本申请实施例的第三个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序；计算机程序被处理器执行以实现飞行器复合控制方法。

采用本申请实施例中的飞行器复合控制方法、控制装置及存储介质，通过根据当前飞行状态下的姿控喷管控制力预估系数以及平板空气舵控制能力预估系数分配飞行器控制指令生成姿控喷管控制指令以及平板空气舵控制指令，最后根据分配后的控制指令控制姿控喷管及平板空气舵，采用平板空气舵和姿控喷管作为执行机构，提高了飞行器的可控性，解决了由于飞行器飞行初始阶段加速慢长时间处于低速状态，飞行器初始段控制力不足导致的飞行器本体稳定性及可控性差的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1中示出了根据本申请实施例的一种飞行器复合控制方法的步骤流程图；

图2中示出了根据本申请实施例的姿控喷管控制中的触发器示意图；

图3中示出了根据本申请实施例的一种飞行器复合控制装置的结构示意图；

图4中示出了根据本申请另一实施例的一种飞行器复合控制装置的复合控制结构图；

图5示出了根据本申请另一实施例的姿态角偏差曲线图；

图6示出了根据本申请另一实施例的燃料消耗量曲线图。

具体实施方式

在实现本申请的过程中，发明人发现飞行器在飞行初始段，由于箭体加速缓慢，长时间处于低速状态，采用平板空气舵作为控制机构难以产生足够的控制力以抵抗干扰或进行转弯，而但目前的平板空气舵与姿控喷管的复合控制属于一类直接力/气动力复合控制，主要利用直接力提供瞬时大过载以提高拦截器末端命中精度，并没有提高初始段飞行器可控性来解决这一问题。因此亟需一种新的采用平板空气舵与姿控喷管的复合控制方法来增强飞行器初始阶段可控性。

针对上述问题，本申请实施例中提供了一种飞行器复合控制方法、控制装置及存储介质，通过根据当前飞行状态下的姿控喷管控制力预估系数以及平板空气舵控制能力预估系数分配飞行器控制指令生成姿控喷管控制指令以及平板空气舵控制指令，最后根据分配后的控制指令控制姿控喷管及平板空气舵，采用平板空气舵和姿控喷管作为执行机构，提高了飞行器的可控性，解决了由于飞行器飞行初始阶段加速慢长时间处于低速状态，飞行器初始段控制力不足导致的飞行器本体稳定性及可控性差的问题。

在本申请中，通过指令分配来调节各执行机构的控制量实现提高初始段可控性的同时还兼顾了姿控喷管燃料消耗。

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

图1中示出了根据本申请实施例的一种飞行器复合控制方法的步骤流程图。如图1所示，本实施例的飞行器复合控制方法，具体包括以下步骤：

S101：根据当前飞行状态下的姿控喷管控制力及安装位置计算姿控喷管控制力预估系数；根据当前飞行状态下的飞行器气动特性以及飞行状态数据计算平板空气舵控制能力预估系数。

所述飞行状态数据包括平板空气舵动压、平板空气舵参考长度、平板空气舵参考面积以及当前飞行状态最大允许舵偏。

S102：根据姿控喷管控制力预估系数以及平板空气舵控制能力预估系数分配飞行器控制指令生成姿控喷管控制指令以及平板空气舵控制指令。

S103：根据姿控喷管控制指令控制姿控喷管；根据所述平板空气舵控制指令控制平板空气舵。

飞行器在初始段的复合控制中需要在满足初始段控制精度要求下尽可能的减少姿控喷管的消耗，因此设计复合控制逻辑为在飞行器低速时姿控喷管控制占优，随着平板空气舵控制效率增加，逐渐将控制指令转向平板空气舵控制回路。

然后通过预估平板空气舵及姿控喷管当前状态所产生的控制力矩相对大小来分配控制指令。

在S101中，首先根据飞行器的初始飞行器状态数据以及控制指令计算姿控喷管控制力预估系数以及平板空气舵控制能力预估系数，随着飞行器飞行状态的改变以及飞行器本体特性的反馈数据，姿控喷管控制力预估系数以及平板空气舵控制能力预估系数也随着改变。进而形成飞行器的复合闭环控制。

具体的，S102中根据姿控喷管控制力预估系数以及平板空气舵控制能力预估系数分配飞行器控制指令，具体包括以下分配公式：

其中，k_aero、k_jet分别为平板空气舵控制回路与姿控喷管控制回路的输入量分配系数，R为输入指令，X为姿态角反馈量，b_{3_aero}为平板空气舵控制能力预估系数，b_{3_jet}为姿控喷管控制能力预估系数。

具体的，姿控喷管控制能力预估系数计算公式为：

其中，

为姿控喷管对应控制通道的总推力，l_c为喷管安装位置到质心的距离。

其中，平板空气舵的控制能力预估系数计算公式为：

其中，q为平板空气舵动压，l_k为平板空气舵参考长度，S_m为平板空气舵参考面积，δ_ref为当前飞行状态最大允许舵偏，

为俯仰力矩系数对舵偏的导数。

进一步的，具体包括：

根据箭体气动特性计算平板空气舵预估系数插值表

根据所述平板空气舵预估系数插值表

确定俯仰力矩系数对舵偏的导数。

本申请实施例飞行器复合控制方法通过预估平板空气舵与姿控喷管的控制能力进行指令分配，实现空气舵与姿控喷管在不同时段控制能力的互补。

进一步的，根据姿控喷管控制指令控制姿控喷管，姿控喷管的控制律为：

K＝N(δ_jet)

其中，姿控喷管控制器为开关控制，采用在连续控制律的基础上加上控制开关的方式，k_pj、k_ij、k_dj为姿控喷管控制器系数；N(·)为控制开关量。

图2中示出了根据本申请实施例的姿控喷管控制中的触发器示意图。

如图2所示，控制开关具体为：

其中，K_i表示当前控制节拍触发器输出量，K_i-1表示上一个控制节拍触发器输出量，u为输入量，u_ot为触发门限值。

进一步的，根据平板空气舵控制指令控制平板空气舵，平板空气舵控制律具体为：

其中，k_pa、k_ia、k_da为平板空气舵控制器系数，X为姿态角，∫X为姿态角随时间的积分量，

为姿态角微分量。

实施例2

图3中示出了根据本申请实施例的一种飞行器复合控制装置的结构示意图。

如图3所示，飞行器复合控制装置具体包括：

姿控喷管控制力预估系数模块10，用于根据姿控喷管控制力及安装位置计算姿控喷管控制力预估系数；

平板空气舵控制能力预估系数模块20，用于根据飞行器气动特性以及飞行状态数据计算平板空气舵控制能力预估系数；

复合控制指令分配器30，用于根据所述姿控喷管控制力预估系数以及平板空气舵控制能力预估系数分配飞行器控制指令生成姿控喷管控制指令以及平板空气舵控制指令；

姿控喷管控制器40，用于根据所述姿控喷管控制指令控制姿控喷管；

平板空气舵控制器50，用于根据所述平板空气舵控制指令控制平板空气舵。

根据权利要求9所述的飞行器复合控制装置，其特征在于，所述复合控制指令分配器，分配公式具体如下：

其中，k_aero、k_jet分别为平板空气舵控制回路与姿控喷管控制回路的输入量分配系数，R为输入指令，X为姿态角反馈量，b_{3_aero}为平板空气舵控制能力预估系数，b_{3_jet}为姿控喷管控制能力预估系数。

具体的，姿控喷管控制能力预估系数计算公式为：

其中，

为姿控喷管对应控制通道的总推力，l_c为喷管安装位置到质心的距离。

其中，平板空气舵的控制能力预估系数计算公式为：

其中，q为平板空气舵动压，l_k为平板空气舵参考长度，S_m为平板空气舵参考面积，δ_ref为当前飞行状态最大允许舵偏，

为俯仰力矩系数对舵偏的导数。

本实施例的复合控制装置的控制律设计包括了静态增益，平板空气舵控制器的控制律以及姿控喷管控制器的控制律。姿控喷管控制指令以及平板空气舵控制指令通过静态增益后输出指令至姿控喷管控制器以及平板空气舵控制器进行执行。

进一步的，姿控喷管控制器为直接力控制器，姿控喷管控制器的控制律为：

K＝N(δ_jet)

其中，姿控喷管控制器为开关控制，采用在连续控制律的基础上加上控制开关的方式，k_pj、k_ij、k_dj为姿控喷管控制器系数；N(·)为控制开关量.

图2中示出了根据本申请实施例的姿控喷管控制中的触发器示意图。

如图2所示，控制开关具体为：

其中，K_i表示当前控制节拍触发器输出量，K_i-1表示上一个控制节拍触发器输出量，u为输入量，u_ot为触发门限值。

其中，根据控制精度要求，确定控制开关的触发门限。

进一步的，平板空气舵控制器为气动力控制器，所述平板空气舵控制器的控制律为：

其中，k_pa、k_ia、k_da为平板空气舵控制器系数，X为姿态角，∫X为姿态角随时间的积分量，

为姿态角微分量。

优选地，在控制器参数设计时，忽略姿控喷管控制回路，调整平板空气舵控制器参数k_pa、k_ia、k_da，使得平板空气舵控制回路稳定并具有较好的控制特性。

优选地，在控制器参数设计时，忽略空气舵控制回路，，调整姿控喷管控制器参数k_pa、k_ia、k_da，使得姿控喷管控制回路稳定并具有较好的控制特性。

优选地，闭合平板空气舵回路以及姿控喷管回路，调整a₀，使得整个复合控制回路闭环稳定。

本申请实施例的飞行器复合控制方法以及装置增加静态增益调节环节可以使得平板空气舵与姿控喷管进行单回路设计，控制律降低了参数设计难度。

图4中示出了根据本申请另一实施例的一种飞行器复合控制装置的复合控制结构图。

如图4所示，本申请实施例的飞行器复合控制装置包括复合控制器以及执行机构。飞行器复合控制装置指令接收端在接收初始控制指令后经过复合控制指令分配后，通过增益a₀后将平板空气舵控制指令发送至气动力控制器通过气动力控制姿控喷管；同时通过增益a₀后将姿控喷管控制指令发送至直接力控制器通过直接力控制空气舵。空气舵和资控喷管作为执行机构进行飞行器本体控制，飞行器如运载火箭在执行机构的控制力作用下改变箭体特性并反馈至飞行器复合控制装置指令接收端，形成闭环控制，保证了飞行器复合控制的可控性以及控制精度。

实施例3

使用本申请实施例的飞行器复合控制方法以及飞行器复合控制装置，采用平板空气舵和姿控喷管作为执行机构除了解决飞行器初始段控制力不足的问题，提高箭体可控性，同时还兼顾姿控喷管燃料消耗。

图5示出了根据本申请实施例的姿态角偏差曲线图，图6示出了根据本申请实施例的燃料消耗量曲线图。

以某带干扰起飞段工况为例，图5和图6中包括纯平板空气舵控制、无控制指令分配的复合控制、有控制指令分配的复合控制以及有控制指令分配空气舵提前起控四种状态并进行了对比。

前三种平板空气舵中纯平板空气舵控制、无控制指令分配的复合控制以及有控制指令分配的复合控制均在有一定飞行速度后接入起控命令，最后一种平板空气舵提前起控状态中全程参与控制。

从图中可以看出纯平板空气舵控制在干扰下产生的姿态角偏差较大；通过引入姿控喷管进行复合控制提高了控制力，有效减小了姿态角偏差；通过引入复合控制指令分配减少姿控喷管燃料消耗。使用本申请实施例的飞行器复合控制方法以及飞行器复合控制装置，平板空气舵从起飞开始全程参与控制，可以充分利用平板空气舵能力，有效减少姿控喷管消耗量。

本申请实施例中的飞行器复合控制方法以及飞行器复合控制装置采用并行双回路反馈控制结构可以充分利用平板空气舵与姿控喷管的控制力进行姿态角偏差抑制达到初始段姿态稳定的目的，并通过控制分配器增加了两个回路的设计自由度，有助于有差异性地发挥异类执行机构平板空气舵以及姿控喷管的执行特点。

本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行以实现如上任一内容所提供的飞行器复合控制方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种飞行器复合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据当前飞行状态下的姿控喷管控制力及安装位置计算姿控喷管控制力预估系数；根据当前飞行状态下的飞行器气动特性以及飞行状态数据计算平板空气舵控制能力预估系数；

根据所述姿控喷管控制力预估系数以及平板空气舵控制能力预估系数分配飞行器控制指令生成姿控喷管控制指令以及平板空气舵控制指令；

根据所述姿控喷管控制指令控制姿控喷管；根据所述平板空气舵控制指令控制平板空气舵。

2.根据权利要求1所述的飞行器复合控制方法，其特征在于，所述根据所述姿控喷管控制力预估系数以及平板空气舵控制能力预估系数分配飞行器控制指令生成姿控喷管控制指令以及平板空气舵控制指令，具体包括以下分配公式：

其中，k_aero、k_jet分别为平板空气舵控制回路与姿控喷管控制回路的输入量分配系数，R为输入指令，X为姿态角反馈量，b_{3_aero}为平板空气舵控制能力预估系数，b_{3_jet}为姿控喷管控制能力预估系数。

3.根据权利要求1所述的飞行器复合控制方法，其特征在于，所述根据姿控喷管控制力及安装位置计算姿控喷管控制力预估系数，姿控喷管控制能力预估系数计算公式为：

其中，

为姿控喷管对应控制通道的总推力，l_c为喷管安装位置到质心的距离。

4.根据权利要求1所述的飞行器复合控制方法，其特征在于，所述飞行状态数据包括平板空气舵动压、平板空气舵参考长度、平板空气舵参考面积以及当前飞行状态最大允许舵偏；所述根据飞行器气动特性以及飞行状态数据计算平板空气舵控制能力预估系数，平板空气舵的控制能力预估系数计算公式为：

其中，q为平板空气舵动压，l_k为平板空气舵参考长度，S_m为平板空气舵参考面积，δ_ref为当前飞行状态最大允许舵偏，

为俯仰力矩系数对舵偏的导数。

5.根据权利要求1所述的飞行器复合控制方法，其特征在于，所述根据飞行器气动特性以及飞行状态数据计算平板空气舵控制能力预估系数，具体包括：

根据箭体气动特性计算平板空气舵预估系数插值表

根据所述平板空气舵预估系数插值表

计算俯仰力矩系数对舵偏的导数。

6.根据权利要求1所述的飞行器复合控制方法，其特征在于，所述根据所述姿控喷管控制指令控制姿控喷管，姿控喷管的控制律为：

K＝N(δ_jet)

其中，k_pj、k_ij、k_dj为姿控喷管控制器系数；N(·)为控制开关量，具体为：

其中，K_i表示当前控制节拍触发器输出量，K_i-1表示上一个控制节拍触发器输出量，u为输入量，u_ot为触发门限值。

7.根据权利要求1所述的飞行器复合控制方法，其特征在于，所述根据所述平板空气舵控制指令控制平板空气舵，平板空气舵控制律具体为：

其中，k_pa、k_ia、k_da为平板空气舵控制器系数，X为姿态角，∫X为姿态角随时间的积分量，

为姿态角微分量。

8.一种飞行器复合控制装置，其特征在于，具体包括：

姿控喷管控制力预估系数模块，用于根据姿控喷管控制力及安装位置计算姿控喷管控制力预估系数；

平板空气舵控制能力预估系数模块，用于根据飞行器气动特性以及飞行状态数据计算平板空气舵控制能力预估系数；

复合控制指令分配器，用于根据所述姿控喷管控制力预估系数以及平板空气舵控制能力预估系数分配飞行器控制指令生成姿控喷管控制指令以及平板空气舵控制指令；

姿控喷管控制器，用于根据所述姿控喷管控制指令控制姿控喷管；

平板空气舵控制器，用于根据所述平板空气舵控制指令控制平板空气舵。

9.根据权利要求8所述的飞行器复合控制装置，其特征在于，所述复合控制指令分配器，分配公式具体如下：

其中，k_aero、k_jet分别为平板空气舵控制回路与姿控喷管控制回路的输入量分配系数，R为输入指令，X为姿态角反馈量，b_{3_aero}为平板空气舵控制能力预估系数，b_{3_jet}为姿控喷管控制能力预估系数。

10.根据权利要求8所述的飞行器复合控制装置，其特征在于，所述姿控喷管控制器的控制律为：

K＝N(δ_jet)

其中，k_pj、k_ij、k_dj为姿控喷管控制器系数；N(·)为控制开关量，具体为：

其中，K_i表示当前控制节拍触发器输出量，K_i-1表示上一个控制节拍触发器输出量，u为输入量，u_ot为触发门限值。

11.根据权利要求8所述的飞行器复合控制装置，其特征在于，所述平板空气舵控制器的控制律为：

其中，k_pa、k_ia、k_da为平板空气舵控制器系数，X为姿态角，∫X为姿态角随时间的积分量，

为姿态角微分量。

12.根据权利要求8所述的飞行器复合控制装置，其特征在于，所述姿控喷管控制器为直接力控制器，所述平板空气舵控制器为气动力控制器。

13.根据权利要求8所述的飞行器复合控制装置，其特征在于，所述姿控喷管控制指令以及平板空气舵控制指令通过静态增益后输出指令至所述姿控喷管控制器以及平板空气舵控制器。

14.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序；所述计算机程序被处理器执行以实现如权利要求1-8任一项所述的飞行器复合控制方法。

Images