CN112286061B - 配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法及装置,其包括:将飞控软件输出的等效指令分配给各类执行机构,以作为各类执行机构的输入;通过扫频试验获得各类执行机构的实测动态特性;通过姿态动力学建模得到第i类执行机构到其引起的姿态响应的传递函数,获得在各频率点的幅频特性和相频特性;计算得到第i类执行机构从等效指令到该类执行机构引起的姿态角响应的传递特性;建立从等效指令到总姿态角的等效姿态频域模型,其中,总姿态角为各类执行机构引起的姿态角的和。本申请能够有效提高建模精度,增强姿态控制参数的适应能力;有利于利用现有姿态控制参数设计方法和行业设计规范,提高设计的可靠性。
Description
技术领域
本申请属于航天运载器控制技术领域,具体涉及一种配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法及装置。
背景技术
航天运载器姿态控制系统的主要功能是克服各种干扰,确保航天运载器在飞行过程中飞行稳定,并对姿态指令进行精确跟踪,从而实现飞行轨迹控制。为实现姿态的稳定与轨迹控制,通常通过摇摆发动机改变推力方向、摆动空气舵或栅格舵改变气动力方向、开关姿控发动机提供控制力等方式来提供绕航天运载器质心的控制力矩。随着航天技术的发展,为提供足够的控制能力,航天运载器在上升段和回收段需要配置芯级和助推级发动机摇摆、空气舵、栅格舵等多类执行机构。设计航天运载器姿态控制系统需要对各类执行机构的动态特性及姿态控制效率进行建模,开展稳定性分析与综合,进而进行姿态参数设计。
已有的建模与设计方法主要有两类:一类是采用传递函数对各类执行机构进行数学建模后进行综合;另一类是对各类执行机构的特性进行分析后选择动态特性最差(如低频幅值衰减最大、高频谐振峰值最高、低频相位滞后最大)的一种作为所有执行机构的特性进行稳定性分析与综合,进而设计姿态控制参数。上述两类建模方法都存在不足,前者假设各类执行机构均为线性系统且可以采用精确的数学模型进行描述,但实际上各类执行机构难免存在较严重的非线性特征,简化为线性模型容易导致较大的误差;而后者的设计过于保守。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题,本申请提供了一种配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法及装置。
根据本申请实施例的第一方面,本申请提供了一种配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法,其包括以下步骤:
将飞控软件输出的等效指令分配给各类执行机构,以作为各类执行机构的输入;
通过扫频试验获得各类执行机构的实测动态特性;
通过姿态动力学建模得到第i类执行机构从其输出到其引起的姿态响应的传递函数,获得各频率点的幅频特性和相频特性;
计算得到第i类执行机构从等效指令到该类执行机构引起的姿态角的幅频特性和相频特性;
建立从等效指令到总姿态角的等效姿态频域模型,其中,总姿态角为各类执行机构引起的姿态角的和。
上述配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法中,所述将飞控软件输出的等效指令分配给各类执行机构的具体过程为:
各类执行机构的输入为:
上述配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法中,所述通过扫频试验获得各类执行机构的实测动态特性的过程为:
进一步地,所述通过姿态动力学建模得到第i类执行机构在各频率点的幅频特性和相频特性的具体过程为:
第i类执行机构的姿态动力学模型利用状态传递函数表示,第i类执行机构从其输出到其引起的姿态响应的传递函数为:
更进一步地,所述计算得到第i类执行机构从等效指令到该类执行机构的引起的姿态角的幅频特性和相频特性的过程为:
更进一步地,所述建立从等效指令到总姿态角的等效姿态频域模型的过程为:利
用第类执行机构从等效指令到该类执行机构引起的姿态角的幅频特性和相
频特性以及,得到从等效指令到总姿态角的等
效姿态频域模型在各频率点的幅频频特性和相频特性分别为:
上述配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法中,当姿态控制系统中包含速率陀螺的反馈量时,还包括以下步骤:
根据从总姿态角到速率陀螺通道反馈量的频域模型在各频率点的幅频特性
和相频特性以及惯组在各频率点的幅频特性和相频特性,建立从总姿态角
到惯组通道与速率陀螺通道组合反馈量的频域模型,该频域模型的幅频特性和
相频特性分别为:
根据本申请实施例的第二方面,本申请还提供了一种配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模装置,其包括存储器和处理器,所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令,执行上述任一项所述的配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法。
根据本申请的上述具体实施方式可知,至少具有以下有益效果:本申请通过直接试验获取各类执行机构动态特性,能够有效提高建模精度,增强姿态控制参数的适应能力。
本申请将多类执行机构姿态动力学模型转化为等效的单类执行机构姿态动力学模型,有利于利用现有姿态控制参数设计方法和行业设计规范,提高设计的可靠性。
本申请适用范围广泛,既适用于航天运载器上升段,也适用于航天运载器子级回收段的姿态控制设计,也适用于其他采用多种执行机构进行复合控制的飞行器。
应了解的是,上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的,其并不能限制本申请所欲主张的范围。
附图说明
下面的所附附图是本申请的说明书的一部分,其示出了本申请的实施例,所附附图与说明书的描述一起用来说明本申请的原理。
图1为本申请实施例提供的一种配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法的流程图。
图2为本申请实施例提供的一种配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法的设计框图之一
图3为本申请实施例提供的一种配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法的设计框图之二。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面将以附图及详细叙述清楚说明本申请所揭示内容的精神,任何所属技术领域技术人员在了解本申请内容的实施例后,当可由本申请内容所教示的技术,加以改变及修饰,其并不脱离本申请内容的精神与范围。
本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,但并不作为对本申请的限定。另外,在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等,并非特别指称次序或顺位的意思,也非用以限定本申请,其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等,均为开放性的用语,即意指包含但不限于。
关于本文中所使用的“及/或”,包括所述事物的任一或全部组合。
关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”;关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。
某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论,以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。
本申请配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法,通过指令分配将飞控软件输出的等效指令分配给各类执行机构,以作为各类执行机构的输入;并利用各类执行机构的实测动态特性以及各类执行机构的姿态动力学模型,建立等效姿态频域模型,从而将配置有多类执行机构的航天运载器的姿态控制参数设计问题转换为配置有单类执行机构的航天运载器的姿态控制参数设计问题。
图1为本申请实施例提供的一种配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法的流程图。
如图1所示,本申请提供的配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法包括以下步骤:
S1、根据飞控软件输出的等效指令,确定各类执行机构的输入,其具体过程为:
各类执行机构的输入为:
需要说明的是,指令系数确定了各类作动器的指令放大倍数,
即飞控软件利用惯组和速率陀螺等传感器获得的姿态信息进行增益和校正后获得的姿控
等效指令需要按照指令系数分配到各类执行机构,以作为各类执行机
构的输入。
如图2所示,表示分配给第1类执行机构的输入,表示第1类执行机构的输出,
即对的响应。表示分配给第2类执行机构的输入,表示第2类执行机构的输出,即对的响应。表示分配给第n类执行机构的输入,表示第n类执行机构的输出,即
对的响应。
S2、通过扫频试验获得各类执行机构的实测动态特性,其具体过程为:
S22、在伺服机构与发动机联合热试车、半实物仿真模拟负载台上,通过扫频试验
获得各类执行机构的实测动态特性,其中,动态特性包括第类执行机构的幅频特性
和相频特性,其中,幅频特性的单位为dB,相频特性的单位为°;。
S4、根据步骤S2得到的各类执行机构的实测动态特性以及步骤S3得到的第类执
行机构从其输出到其引起的姿态响应的传递函数在各频率点的幅频特性和相频特
性,计算得到第类执行机构从等效指令到该类执行机构引起的姿态角的幅
频特性和相频特性:
计静态增益和校正网络参数,使得姿态控制系统具有满足设计要求的稳定裕度。
如图3所示,当姿态控制系统中包含速率陀螺的反馈量时,本申请提供的配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法需要将速率陀螺模型与惯组模型并联后进行综合计算,其具体包括以下步骤:
Sp2、根据步骤Sp1得到的从总姿态角到速率陀螺通道反馈量的频域模型在
各频率点的幅频特性和相频特性以及惯组在各频率点的幅频特性和相频特性
,建立从总姿态角到惯组通道与速率陀螺通道组合反馈量的频域模型,该频域模型
在各频率点的幅频特性和相频特性分别为:
Sp3、根据总姿态角到惯组通道与速率陀螺通道组合反馈量的频域模型以
及从等效指令到总姿态角的等效姿态频域模型,建立从等效指令到惯组通道与速
率陀螺通道组合反馈量的频域模型,该频域模型在各频率点的幅频特性和相频
特性分别为:
本申请配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法通过将多类执行机构姿态动力学模型转化为等效单类执行机构姿态动力学模型,有利于利用现有姿态控制参数设计方法和行业设计规范进行参数设计,从而提高设计的可靠性。
本申请配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法直接通过试验获取各类执行机构的动态特性,能够有效提高建模精度,增强姿态控制参数的适应能力。
本申请配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法适用范围广泛,既适用于航天运载器上升段,也适用于航天运载器子级回收段的姿态控制设计,也适用于其他采用多种执行机构进行复合控制的飞行器。
在示例性实施例中,本申请实施例还提供了一种配置有多类执行机构的航天运载器姿态控制建模装置,其包括存储器和处理器,处理器被配置为基于存储在存储器中的指令,执行本申请中任一个实施例中的配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法。
其中,存储器可以为系统存储器或固定非易失性存储介质等,系统存储器可以存储有操作系统、应用程序、引导装载程序、数据库以及其他程序等。
在示例性实施例中,本申请实施例还提供了一种计算机存储介质,是计算机可读存储介质,例如,包括计算机程序的存储器,上述计算机程序可由处理器执行,以完成本申请中任一个实施例中的配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法。
上述的本申请实施例可在各种硬件、软件编码或两者组合中进行实施。例如,本申请的实施例也可表示在数据信号处理器中执行上述方法的程序代码。本申请也可涉及计算机处理器、数字信号处理器、微处理器或现场可编程门阵列执行的多种功能。可根据本申请配置上述处理器执行特定任务,其通过执行定义了本申请揭示的特定方法的机器可读软件代码或固件代码来完成。可将软件代码或固件代码发展表示不同的程序语言与不同的格式或形式。也可表示不同的目标平台编译软件代码。然而,根据本申请执行任务的软件代码与其他类型配置代码的不同代码样式、类型与语言不脱离本申请的精神与范围。
以上所述仅为本申请示意性的具体实施方式,在不脱离本申请的构思和原则的前提下,任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改,均应属于本申请保护的范围。
Claims (12)
1.一种配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法,其特征在于,包括以下步骤:
将飞控软件输出的等效指令分配给各类执行机构,以作为各类执行机构的输入;
建立从等效指令到总姿态角的等效姿态频域模型,其中,总姿态角为各类执行机构引起的姿态角的和。
12.一种配置有多类执行机构的航天运载器姿态控制建模装置,其特征在于,包括存储器和处理器,所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令,执行如权利要求1~11任一项所述的配置多类执行机构的航天运载器姿态控制建模方法。
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