CN114398755B - 一种弹性滤波器设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种弹性滤波器设计方法，包括步骤：计算箭体传递函数Gjt、弹性振动传递函数Gtx、执行机构的传递函数Gzx、以及设计的校正网络传递函数Gjz；计算控制系统在固定弹性频率点omga0下的幅值裕度；固定弹性频率点omga0下的要求的设计幅值裕度；确定需要设计的滤波深度；计算此滤波器在控制系统下的滤波宽度；设计此弹性滤波器为连续域滤波器；计算控制回路中弹性频率点omga0处的幅值裕度；在箭体上下拉偏工况下，计算判断频率点的幅值裕度是否满足设计要求。本发明的设计方法通过实际应用，在滤波器设计过程中，知道具体某个频率点的滤波深度和滤波宽度的情况下，最多通过一次或者两次就可以设计出来。

Description

一种弹性滤波器设计方法
技术领域
本发明属于运载火箭姿态控制系统设计技术领域，具体为一种弹性滤波器设计方法。
背景技术
在运载火箭姿态控制系统中，稳定和抑制箭体的弹性振动是极其重要的一个任务。因为如果箭体的弹性振动不能很快衰减，而是等幅振荡甚至发散，这不仅会使弹体结构强度受到破坏，也对刚性弹体姿态运动的稳定性极为不利。如果在控制系统回路中引入惯组敏感到的弹性角速率信息后，经导航、制导计算得到的姿态角偏差信号中包含明显的的弹性分量，经校正网络计算得到的控制指令中亦包含高频弹性频率信息。执行机构具有饱和特性，尤其伺服机构的速度特性容易进入饱和状态，伺服机构进入非线性饱和工作状态后，会使刚体控制信号减小，严重时控制系统将不能有足够的偏转角、角速度来提供需要的控制力，随之导致姿态角偏差增大以至失稳。
目前解决箭体弹性振动的途径主要有两种：一是运用鲁棒控制理论设计出统一的控制器，二是采用滤波器实现对弹性振动进行抑制；在实际的工程应用中上具有广泛的形式就是设计一种陷波滤波器，稳定和抑制箭体的弹性振动。但是在实际进行陷波器设计时，根据相关专业提供的弹性参数，进行点对点的设计，如果弹性参数有上下拉偏的情况下，很难确定陷波器明确陷波器的深度和宽度，需要根据通过蒙特卡洛打靶仿真进行测试得出设计结果是否满足要求，反复设计，不断迭代，使得工程任务量增大，延缓甚至严重耽误设计进度。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提出一种弹性滤波器设计方法，设计方式简单快速，相当程度上减少设计时间从而加快研制设计进度。
为实现上述目的，本发明提供一种弹性滤波器设计方法，应用于运载火箭姿态控制系统中，稳定和抑制箭体的弹性振动，所述运载火箭是轴对称形状，俯仰通道和偏航通道的姿态控制方式和弹性滤波器设计方式相同，其特征在于包括如下步骤
步骤一：挑选需要设计的飞行时间点T和所述飞行时间点T下箭体的弹性振动频率omga0(rad/s)，根据确定的所述飞行时间点T和所述飞行时间点T对应的总体参数数据，计算箭体传递函数Gjt、弹性振动传递函数Gtx、执行机构的传递函数Gzx、以及设计的校正网络传递函数Gjz；
步骤二：计算系统的开环传递函数：Gkh＝(Gjt+Gtx)×Gzx×Gjz。通过开环传递函数，计算控制系统在固定弹性频率点omga0下的幅值裕度，记为GmMargin0(dB)；
步骤三：根据弹性频率拉偏范围，上下限分别记为omga1(rad/s)和omga2(rad/s)，固定弹性频率点omga0下的要求的设计幅值裕度为GmMargin1(dB)；
步骤四：确定需要设计的滤波深度为，Rs＝|GmMargin1-GmMargin0|；
步骤五：设定控制系统的控制步长为Tfk，根据弹性频率上下拉偏范围，计算此滤波器在控制系统下的滤波宽度omgaP，
omgaP＝[omga0/2π、omga1/2π]×Tfk×2
步骤六：通过步骤四和步骤五得到的滤波深度和宽度，设计此弹性滤波器为连续域滤波器Glb2(s)；
步骤七：将连续域中的滤波器传递函数Glb2带入系统的开环控制函数Gkh_All＝(Gjt+Gtx)×Gzx×Gjz×Glb2,计算控制回路中弹性频率点omga0处的幅值裕度；
步骤八：利用步骤七设计好的连续域滤波器Glb2(s)，分别在箭体上下拉偏工况下，计算判断频率点的幅值裕度是否满足设计要求；若存在上下拉偏工况下不满足系统幅值裕度要求的情况时，回到步骤四和步骤五，调整增大滤波深度和宽度，进行后续的操作设计和判断。
进一步地，所述步骤六中首先设计的弹性滤波器为二阶的切比雪夫带阻滤波器，通过设置带阻滤波器的滤波宽度和滤波深度，设计出该离散域滤波器Glb1(z)的分子和分母的系数，所述滤波器的离散域滤波器传递函数为：
其中A1、A2、A3、A4、A5和B1、B2、B3、B4、B5分别为离散域滤波器传递函数Glb1(z)分子、分母的系数，Z表示离散的采样点；*号为乘号；
将离散域滤波器Glb1(z)转换为连续域滤波器Glb2(s)，Z表示连续的采样点。
进一步地，所述双线性变化的方法具体为：
将离散域滤波器传递函数Glb1(z)中的Z用替换进行计算，转换成连续域下的传递函数Glb2(s)；其中T为采样时间，大小与系统的控制步长Tfk相同；*号为乘号。
进一步地，所述步骤八中适当调整滤波深度和宽度的原则和方法是：
对于运载火箭而言，控制系统在额定工况状态下的幅值裕度大于等于6dB,上下拉偏工况下幅值裕度大于等于3dB；当设计出来的滤波器在弹性频率点处的幅值裕度小于指标要求时，增大增大滤波深度和宽度即可完成目标要求。
本发明与传统的设计方法比，优点如下：
传统的设计方法，在频率点有上下拉偏时，滤波器设计需要多个陷波滤波器相乘的形式来实现，每一个陷波滤波器在设计时需要多次试凑和迭代过程才可实现；
本发明的设计方法通过实际应用，在滤波器设计过程中，知道具体某个频率点的滤波深度和滤波宽度的情况下，最多通过一次或者两次就可以设计出来。
总之，本发明的设计方法适应能力强，设计方式简单快速，明显减少设计时间并且加快了工程设计进度。
附图说明
图1为运载火箭姿态控制系统原理示意图。
具体实施方式
本发明提供一种弹性滤波器设计方法，应用于运载火箭姿态控制系统中，稳定和抑制箭体的弹性振动，所述运载火箭是轴对称形状，俯仰通道和偏航通道的姿态控制方式和弹性滤波器设计方式相同，下面以俯仰通道的设计方法为例，分步骤描述此弹性滤波器的设计方法。
首先介绍箭体姿态控制系统原理：将传感器惯侧组合的输出数据进行相应的数据处理以及姿态角偏差计算，姿态角偏差信号经本发明的弹性滤波器和校正网络计算之后，输出姿态稳定控制量，控制执行机构进行动作，产生需要的控制力和控制力矩，对箭体姿态进行控制。如图1所示。
本发明的弹性滤波器设计方法包括如下步骤
步骤一：挑选需要设计的飞行时间点T和所述飞行时间点T下箭体的弹性振动频率omga0(rad/s)，根据确定的所述飞行时间点T和所述飞行时间点T对应的总体参数数据，计算箭体传递函数Gjt、弹性振动传递函数Gtx、执行机构的传递函数Gzx、以及设计的校正网络传递函数Gjz；
步骤二：计算系统的开环传递函数：Gkh＝(Gjt+Gtx)×Gzx×Gjz。通过开环传递函数，计算控制系统在固定弹性频率点omga0下的幅值裕度，记为GmMargin0(dB)；
步骤三：根据弹性频率拉偏范围，上下限分别记为omga1(rad/s)和omga2(rad/s)，固定弹性频率点omga0下的要求的设计幅值裕度为GmMargin1(dB)；
步骤四：确定需要设计的滤波深度为，Rs＝|GmMargin1-GmMargin0|；
步骤五：设定控制系统的控制步长为Tfk，根据弹性频率上下拉偏范围，计算此滤波器在控制系统下的滤波宽度omgaP，
omgaP＝[omga0/2π、omga1/2π]×Tfk×2
步骤六：通过步骤四和步骤五得到的滤波深度和宽度，设计此弹性滤波器为连续域滤波器Glb2(s)；
所述步骤六中首先设计的弹性滤波器为二阶的切比雪夫带阻滤波器，通过设置带阻滤波器的滤波宽度和滤波深度，设计出该离散域滤波器Glb1(z)的分子和分母的系数，所述滤波器的离散域滤波器传递函数为：
其中A1、A2、A3、A4、A5和B1、B2、B3、B4、B5分别为离散域滤波器传递函数Glb1(z)分子、分母的系数，Z表示离散的采样点；*号为乘号；
将离散域滤波器Glb1(z)转换为连续域滤波器Glb2(s)，Z表示连续的采样点。
所述步骤六中通过双线性变化将离散域转换为连续域滤波器Glb2(s)，所述双线性变化的方法具体为：
将离散域滤波器传递函数Glb1(z)中的Z用替换进行计算，转换成连续域下的传递函数Glb2(s)；其中T为采样时间，大小与系统的控制步长Tfk相同；*号为乘号。
步骤七：将连续域中的滤波器传递函数Glb2带入系统的开环控制函数Gkh_All＝(Gjt+Gtx)×Gzx×Gjz×Glb2,计算控制回路中弹性频率点omga0处的幅值裕度；
步骤八：利用步骤七设计好的连续域滤波器Glb2(s)，分别在箭体上下拉偏工况下，计算判断频率点的幅值裕度是否满足设计要求；若存在上下拉偏工况下不满足系统幅值裕度要求的情况时，回到步骤四和步骤五，调整增大滤波深度和宽度，进行后续的操作设计和判断。
所述步骤八中适当调整滤波深度和宽度的原则和方法是：
对于运载火箭而言，控制系统在额定工况状态下的幅值裕度大于等于6dB,上下拉偏工况下幅值裕度大于等于3dB；当设计出来的滤波器在弹性频率点处的幅值裕度小于指标要求时，增大滤波深度和宽度即可完成目标要求。
因为俯仰通道和偏航通道的姿态控制方式和弹性滤波器设计方式相同，在实际设计工作中需要设计出两个弹性滤波器，然后在控制系统中分别使用。

Claims (4)

1.一种弹性滤波器设计方法，应用于运载火箭姿态控制系统中，稳定和抑制箭体的弹性振动，所述运载火箭是轴对称形状，俯仰通道和偏航通道的姿态控制方式和弹性滤波器设计方式相同，其特征在于包括如下步骤
步骤一：挑选需要设计的飞行时间点T和所述飞行时间点T下箭体的弹性振动频率omga0(rad/s)，根据确定的所述飞行时间点T和所述飞行时间点T对应的总体参数数据，计算箭体传递函数Gjt、弹性振动传递函数Gtx、执行机构的传递函数Gzx、以及设计的校正网络传递函数Gjz；
步骤二：计算系统的开环传递函数：Gkh＝(Gjt+Gtx)×Gzx×Gjz；通过开环传递函数，计算控制系统在固定弹性频率点omga0下的幅值裕度，记为GmMargin0(dB)；
步骤三：根据弹性频率拉偏范围，上下限分别记为omga1(rad/s)和omga2(rad/s)，固定弹性频率点omga0下的要求的设计幅值裕度为GmMargin1(dB)；
步骤四：确定需要设计的滤波深度为，Rs＝|GmMargin1-GmMargin0|；
步骤五：设定控制系统的控制步长为Tfk，根据弹性频率上下拉偏范围，计算此滤波器在控制系统下的滤波宽度omgaP，
omgaP＝[omga0/2π、omga1/2π]×Tfk×2
步骤六：通过步骤四和步骤五得到的滤波深度和宽度，设计此弹性滤波器为连续域滤波器Glb2(s)；
步骤七：将连续域中的滤波器传递函数Glb2带入系统的开环控制函数Gkh_All＝(Gjt+Gtx)×Gzx×Gjz×Glb2,计算控制回路中弹性频率点omga0处的幅值裕度；
步骤八：利用步骤七设计好的连续域滤波器Glb2(s)，分别在箭体上下拉偏工况下，计算判断频率点的幅值裕度是否满足设计要求；若存在上下拉偏工况下不满足系统幅值裕度要求的情况时，回到步骤四和步骤五，适当调整滤波深度和宽度，进行后续的操作设计和判断。
2.根据权利要求1所述的弹性滤波器设计方法，其特征在于，所述步骤六中首先设计的弹性滤波器为二阶的切比雪夫带阻滤波器，通过设置带阻滤波器的滤波宽度和滤波深度，设计出该离散域滤波器Glb1(z)的分子和分母的系数，所述滤波器的离散域滤波器传递函数为：
其中A1、A2、A3、A4、A5和B1、B2、B3、B4、B5分别为离散域滤波器传递函数Glb1(z)分子、分母的系数，Z表示离散的采样点；*号为乘号；
将离散域滤波器Glb1(z)转换为连续域滤波器Glb2(s)，Z表示连续的采样点。
3.根据权利要求1所述的弹性滤波器设计方法，其特征在于，所述步骤六中通过双线性变化将离散域转换为连续域滤波器Glb2(s)，所述双线性变化的方法具体为：
将离散域滤波器传递函数Glb1(z)中的Z用替换进行计算，转换成连续域下的传递函数Glb2(s)；其中T为采样时间，大小与系统的控制步长Tfk相同；*号为乘号。
4.根据权利要求1所述的弹性滤波器设计方法，其特征在于，所述步骤八中适当调整滤波深度和宽度的原则和方法是：
对于运载火箭而言，控制系统在额定工况状态下的幅值裕度大于等于6dB,上下拉偏工况下幅值裕度大于等于3dB；当设计出来的滤波器在弹性频率点处的幅值裕度小于指标要求时，增大滤波深度和宽度即可完成目标要求。
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