CN122540407A - 一种航天器晃动抑制的伪速率控制参数整定方法 - Google Patents

Abstract

一种航天器晃动抑制的伪速率控制参数整定方法，旨在为航天器晃动抑制的伪速率控制参数整定提供理论设计支撑，提高参数设计效率，避免参数设计过程中的盲目试凑，属于航天器控制技术领域。本发明定量给出了姿控精度、回环系数和内外环带宽比与伪速率调制器参数之间关系，能够快速进行伪速率调姿器门限的确定。本发明为伪速率控制参数提供了系统的设计指导，工程实用性强，避免了参数整定的盲目性。

Description

一种航天器晃动抑制的伪速率控制参数整定方法

技术领域

本发明涉及一种航天器晃动抑制的伪速率控制参数整定方法，属于航天器控制技术领域。

背景技术

航天飞行器在轨一般配备姿控喷管用于变轨机动过程中的姿态稳定控制，姿控喷管根据控制开关指令，产生脉冲式的控制力。常见的姿控喷管控制方法有斜开关线控制和伪速率控制。斜开关线控制参数设计简单，在运载火箭末子级应用的较多，但是斜开关线控制对系统延迟适应性较差，很难实现最小脉宽控制，不省燃料。因此，在轨航天器中多采用伪速率控制方法，通过伪速率调制器实现最小脉宽控制，节省在轨控制燃耗。伪速率控制参数较多，主要包含伪速率调制器、系统增益和校正网络。其中，伪速率调制器又是一个强非线性环节，在晃动频域稳定分析过程中存在较大困难。因此，现在工程中多采用试凑仿真的方法整定，缺少系统的方法指导，参数整定效率较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，旨在为航天器晃动抑制的伪速率控制参数整定提供理论设计支撑，提高参数设计效率，避免参数设计过程中的盲目试凑。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提供一种航天器晃动抑制的伪速率控制参数整定方法，包括：

（1）选定满足任务要求的姿控精度、回环系数和内外环带宽比，计算伪速率调制器开关门限；

（2）基于伪速率调制器开关门限，计算伪速率调制器时间常数、系统带宽和系统控制增益参数；系统是指某一个航天器对象的控制系统；

（3）判断系统控制带宽是否满足晃动频率带宽隔离要求，若不满足则调整姿控精度、回环系数和内外环带宽比，返回步骤（1），若满足则进入下一步；

（4）计算伪速率调制器调制周期，判断伪速率调制器最小调制周期是否满足要求，若不满足则调整最小脉宽工作时间，返回步骤（1），若满足则进入下一步骤；

（5）选取伪速率环节频域分析替代模型，进行晃动抑制陷波网络参数设计，使得考虑替代模型后，系统满足频域稳定裕度指标。

进一步的，步骤（1）中的伪速率调制器开关门限计算方法如下：

其中，为伪速率调制器开关门限，为伪速率调制器回环系数，为姿控精度取值，为最小脉宽工作时间，为内外环带宽比，为控制力矩系数。

进一步的，步骤（2）中的伪速率调制器时间常数、系统带宽和系统控制增益参数计算方法如下：

其中，为伪速率调制器时间常数，为系统控制带宽，为系统阻尼系数，为姿态角偏差增益参数，为姿态角速率偏差增益参数，系统控制增益参数包括和。

进一步的，步骤（3）中的晃动频率带宽隔离要求晃动频率带宽要是系统控制带宽至少2倍以上。若系统控制带宽偏高，则需要增大姿控精度取值或减小回环系数或减小内外环带宽比，反之则减小姿控精度取值或增大回环系数或增大内外环带宽比。

进一步的，步骤（4）中最小调制周期计算方法如下：

最小调制周期需要满足如下要求，不满足时，增加最小脉宽工作时间。

其中，为伪速率调制器调制周期，为伪速率调制器输入信号大小，为喷管从接受到开指令到90%推力所需时间，分别喷管从接受到关指令到10%推力所需时间，为喷管连续开关的最小间隔时间。

进一步的，步骤（5）中伪速率环节频域分析替代模型和考虑替代模型偏差后的频域稳定裕度指标选取如下：

其中，为伪速率环节频域分析替代模型，、分别系统稳定要求的低频幅值裕度和相位裕度，、分别考虑替代模型偏差后的低频幅值裕度和相位裕度，s为拉普拉斯算子。

第二方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在由处理器加载并运行时，使所述处理器执行第一方面所述的方法。

第三方面，本发明提供一种存储在非暂时性计算机可读介质上的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括用于实行第一方面所述方法的程序代码。

第四方面，本发明提供一种电子设备，包括：

处理器；以及

存储器，用于存储计算机程序指令；

其中当所述计算机程序指令由所述处理器加载并运行时，所述处理器执行第一方面所述的方法。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

（1）、本发明为伪速率控制参数提供了系统的设计指导，工程实用性强，避免了参数整定的盲目性。

（2）、本发明定量给出了姿控精度、回环系数和内外环带宽比与伪速率调制器参数之间关系，能够快速进行伪速率调姿器门限的确定。

（3）、本发明提供了替代强伪速率调制器强非线性环节的频域分析模型和考虑替代模型偏差后的频域稳定裕度指标，能够实现频域简单高效的设计。

附图说明

图1是本发明参数整定方法流程框图；

图2是本发明伪速率控制结构示意图；

图3是伪速率调制环节扫频相位特性曲线；

图4是伪速率调制环节扫频幅值特性曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，本发明公开了一种航天器晃动抑制的伪速率控制参数整定方法，包括：

步骤（1）、选定满足任务要求的姿控精度、回环系数和内外环带宽比，计算伪速率调制器开关门限；

在本例实施中，伪速率调制器开关门限计算如下：

其中，为伪速率调制器开关门限，为伪速率调制器回环系数，为姿控精度取值，为最小脉宽工作时间，为内外环带宽比，为控制力矩系数。

步骤（2）、计算伪速率调制器时间常数、系统带宽和系统控制增益参数；

在本例实施中，伪速率调制器时间常数、系统带宽和系统控制增益参数计算如下：

其中，为伪速率调制器时间常数，为系统控制带宽，为系统阻尼系数，为姿态角偏差增益参数，为姿态角速率偏差增益参数，系统控制增益参数包括和。

步骤（3）、判断系统控制带宽是否满足晃动频率带宽隔离要求，若不满足则调整姿控精度、回环系数和内外环带宽比，回到步骤（1），若满足则进入下一步；

在本例实施中，晃动频率带宽隔离要求晃动频率带宽要是系统控制带宽至少2倍以上。若系统控制带宽偏高，则需要增大姿控精度取值或减小回环系数或减小内外环带宽比，反之则减小姿控精度取值或增大回环系数或增大内外环带宽比。

步骤（4）、计算伪速率调制器调制周期，判断伪速率调制器最小调制周期是否满足要求，若不满足则调整最小脉宽工作时间，回到步骤（1），若满足则进入下一步骤；

在本例实施中，最小调制周期计算如下：

最小调制周期需要满足如下要求，不满足时，增加最小脉宽工作时间。

其中，为伪速率调制器调制周期，为伪速率调制器输入信号大小，为喷管从接受到开指令到90%推力所需时间，分别喷管从接收到关指令到10%推力所需时间，为喷管连续开关的最小间隔时间。

步骤（5）、选取伪速率环节频域分析替代模型，进行晃动抑制陷波网络参数设计，使得考虑替代模型后，系统满足频域稳定裕度指标。

在本例实施中，伪速率环节频域分析替代模型和考虑替代模型偏差后的频域稳定裕度指标选取如下：

其中，为伪速率环节频域分析替代模型，、分别系统稳定要求的低频幅值裕度和相位裕度，、分别考虑替代模型偏差后的低频幅值裕度和相位裕度。

航天器单通道控制的伪速率控制框图如图2所示。依据本发明步骤，设计伪速率调制环节参数，对整个伪速率调制器部分开展频域扫频，得到了不同输入信号下的相位特性曲线和幅值特性曲线，如图3、图4所示。从图中可知，伪速率环节频域分析替代模型在中低频段能够较好的表征伪速率调制器的频域特性。因此，在频域综合分析中能够采用线性环节近似替代伪速率调制器这个强非线性环节，从而方便开展晃动抑制网络的频域设计。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种航天器晃动抑制的伪速率控制参数整定方法，其特征在于，包括：

（1）选定满足任务要求的姿控精度、回环系数和内外环带宽比，计算伪速率调制器开关门限；

（2）基于伪速率调制器开关门限，计算伪速率调制器时间常数、系统带宽和系统控制增益参数；

（3）判断系统控制带宽是否满足晃动频率带宽隔离要求，若不满足则调整姿控精度、回环系数和内外环带宽比，返回步骤（1），若满足则进入下一步；

（4）计算伪速率调制器调制周期，判断伪速率调制器最小调制周期是否满足要求，若不满足则调整最小脉宽工作时间，返回步骤（1），若满足则进入下一步骤；

（5）选取伪速率环节频域分析替代模型，进行晃动抑制陷波网络参数设计，使得考虑替代模型后，系统满足频域稳定裕度指标。

2.根据权利要求1所述的伪速率控制参数整定方法，其特征在于，伪速率调制器开关门限计算方法如下：

其中，为伪速率调制器开关门限，为伪速率调制器回环系数，为姿控精度取值，为最小脉宽工作时间，为内外环带宽比，为控制力矩系数。

3.根据权利要求2所述的伪速率控制参数整定方法，其特征在于，伪速率调制器时间常数、系统带宽和系统控制增益参数计算方法如下：

其中，为伪速率调制器时间常数，为系统控制带宽，为系统阻尼系数，为姿态角偏差增益参数，为姿态角速率偏差增益参数，系统控制增益参数包括和。

4.根据权利要求1所述的伪速率控制参数整定方法，其特征在于，步骤（3）中，晃动频率带宽隔离要求晃动频率带宽要是系统控制带宽至少2倍以上。

5.根据权利要求1所述的伪速率控制参数整定方法，其特征在于，步骤（3）中，若系统控制带宽偏高，则需要增大姿控精度取值或减小回环系数或减小内外环带宽比，反之则减小姿控精度取值或增大回环系数或增大内外环带宽比。

6.根据权利要求3所述的伪速率控制参数整定方法，其特征在于，最小调制周期计算方法如下：

最小调制周期需要满足如下要求，不满足时，增加最小脉宽工作时间；

其中，为伪速率调制器调制周期，为伪速率调制器输入信号大小，为喷管从接受到开指令到90%推力所需时间，分别喷管从接收到关指令到10%推力所需时间，为喷管连续开关的最小间隔时间。

7.根据权利要求1所述的伪速率控制参数整定方法，其特征在于，伪速率环节频域分析替代模型和考虑替代模型偏差后的频域稳定裕度指标选取如下：

其中，为伪速率环节频域分析替代模型，、分别系统稳定要求的低频幅值裕度和相位裕度，、分别考虑替代模型偏差后的低频幅值裕度和相位裕度，为伪速率调制器时间常数，s为拉普拉斯算子。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在由处理器加载并运行时，使所述处理器执行如权利要求1至7中任一项所述的方法。

9.一种存储在非暂时性计算机可读介质上的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括用于实行如权利要求1至7中任一项所述的方法的程序代码。

10.一种电子设备，包括：

处理器；以及

存储器，用于存储计算机程序指令；

其中当所述计算机程序指令由所述处理器加载并运行时，所述处理器执行如权利要求1至7中任一项所述的方法。