文摘
在早期阶段的可重复使用的运载火箭(RLV)投放再入飞行,反应控制系统控制装置(RCS)是主要的态度。RCS,更不同于大气引导控制,需要一个精心设计的控制分配系统,以适应高海拔的姿态控制。摘要索引控制方法提出了RCS预先配置,一个0 - 1整数规划算法为RCS设计分配控制器,然后这个RCS计划的影响进行了分析。根据指定的飞行任务仿真,结果表明,该控制系统满足。此外,一些比较的态度控制效果和RCS相关参数进行了研究。
1。介绍
在再入飞行阶段,RLV变化迅速投放的空气动力特性,当严重的不确定性和非线性存在。因此,RLV需要投放高健壮的和准确的姿态控制算法。不同于正常的车辆,RLV通常依赖于投放空地中姿态控制和反应控制系统(1]。在其在轨运行和初始再入,RCS是主要控制装置的态度。因为动态压力不够强大的空地中,以满足航天器姿态控制的需要。
许多控制方法已经提出了解决RLV以超音速的速度投放的姿态控制问题。在[2),用变结构控制来控制的态度RLV在提升和再入阶段投放的小扰动。在[3),采用神经网络算法7级模糊规则在线学习。这种方法的问题是大量的计算和低可靠性。目前,传统的增益调度技术,称为基于操作点的线性化中,可以应用非线性控制器设计。
在这项研究中,姿态控制算法只是为RCS设计(4- - - - - -7]。控制律的控制力矩是由RCS命令逻辑和操作逻辑产生的最后命令推进器(8]。通常,RCS包括几个推进器。当然,实际控制时刻(9)是由推进器喷射的推进剂喷气机。因此,控制分配(10- - - - - -14)之间的所有推进器RCS应该姿态控制算法设计的关键(15)(见图1)。
因此,剩下的纸是组织如下。的非线性模型和控制模型RLV介绍投放部分2。节3,RCS广泛研究和建模。索引控制方法提出了RCS预先配置,和一个0 - 1整数规划算法是专为RCS控制分配部分4。部分5和6分别给RCS方案的仿真结果和结论。
2。RLV的数学模型
2.1。非线性模型
在这项研究中,一个高保真RLV模型用于投放证明提出可靠的控制方法。的身体配置RLV提供横向的惯性耦合/定向投放渠道。因此,动态模型的RLV是一个复杂和高度非线性时变不确定系统投放(16]。
在建模中,摘要坐标系使用(17]。简化复杂的模型(18),一些安装错误,如RCS推进器位置错误,忽略了和几个假设如下:(一)RLV的理想刚体投放,忽略任何弹性振动;(b)其侧滑角很小,足以让小角假设;因此,横向的时刻提供主要由RCS;(c)RLV惯性主轴和身体投放轴是叠加的,不管惯性的影响产品;(d)忽略导航设备的动态特性,考虑车辆的状态可以获得。
然后,可重复使用的运载火箭的动态模型可以表示为
RLV由投放的姿态运动模型
在初始再入过程中,转化方程RLV可以被描述为投放 在哪里被称为重力;对应于气动力;提供的控制力量,RCS;和分别是迁移力和科里奥利力,小到可以忽略;剩下的涵盖了所有的干扰力。
周围的转动方程可以描述为重心 的变量,,转动惯量(19];的变量,,代表所有身体周围的外部力矩轴,,的RLV。投放
2.2。控制模型
分别表示攻角偏航角,卷角和旋转角速度,,作为控制系统的状态变量。所以我们采用控制模型20.]:
本文在RCS-only工作阶段,空地的控制效率不够强大而RCS。所以产生的空气动力力矩船舵可以忽略。
3所示。数学模型的RCS
3.1。RCS特征
之前的反应控制系统的特点,本文需要进一步阐明其工作过程,简单概述了的人物2。
推进器不工作时,挡板,在弹簧的张力下,块推进剂管道。所以推进剂不能流动的催化剂。因此没有推力。积极的控制信号生成时,电磁铁将电枢产生吸引力。当吸入大于弹簧的张力,电枢将挡板掉了。推进剂满足催化剂层后,会发生化学反应,从而产生热量和推力。相反,当吸入小于弹簧力,电枢会回到初始位置,反应必被剪除。
通过了解RCS的工作过程,研究总结以下优点(21]:(1)推进器可以工作在任何轨道位置;因此RCS已经广泛应用于航天器姿态控制;(2)提供的控制力矩,RCS,沿着RLV身体投放轴远远大于耦合力矩,使控制逻辑更简单,更灵活;(3)与内部和外部扰动力矩相比,RCS控制力矩大,过渡时间短,所以可以被忽视的干扰力矩控制系统的主要设计阶段;(4)RCS适用于非周期的干扰力矩的场合。由于推进剂的消耗,其使用寿命短,这使得它适用于航天飞机,RLV,投放和返回式卫星;(5)推进器通常采用固定力(22,23)和开/关开关工作模式。
当然,RCS(下面有几个缺点24]:(1)RCS需要燃料来产生控制力矩,但推进剂是有限的;(2)横向射流的复杂气动舵干扰,尤其是在高超音速的阶段;(3)很难保持连续和均匀喷射流量,导致更难控制方案设计;(4)作为一个推进器只能产生一个方向的力和力矩,控制系统可能需要不止一个生产各种姿态控制力矩的方向。通常6推进器可以完成姿态控制任务(25]。但是考虑到可靠性,实际系统总是需要必要的冗余。例如,本文RCS 12推进器。
3.2。推进器模型
考虑电磁推进器的磁滞和非线性特征,控制信号和推力输出之间的关系是复杂和非线性。因此,根据具体要求,一些实用的数学模型(26]给出了推进器如下。
(1)理想的数学模型。这个模型是相对简单的,没有考虑到推进器的开/关开关延迟,并假设推力输出是恒定的。
这个理想推进器模型通常用于验证理论,初步设计和数学分析。
(2)数学模型考虑切换延迟。这个模型比理想更准确。它认为推进器的开/关开关延迟,但仍然忽略了非线性动态特性在开/关开关过程。图3给出了曲线的推力输出和时间。
通常,该模型用于姿态控制系统的设计和分析阶段。
(3)指数的数学模型。这个模型考虑时间延迟和动态特性在开/关开关(推力上涨或下跌如指数函数)。很明显这个模型中,通常使用在模拟阶段,是三者中最精确的。
考虑时间延迟和动态特性在切换过程中,使用Matlab / Simulink推进器模型是由(图4)。
在图4“运输延误”代表的模块的切换延时推进器;变量“delta1”模块中的“转移Fcn”代表了加速度开关;变量“delta2”模块中的“转移Fcn1”代表了关掉减速。图5使推进器模型的仿真曲线响应控制指令信号。
3.3。力和RCS的时刻
数据6和7现在的推进器布局图,表明12推进器的喷射方向和位置。
的输出th推进器是 在哪里推进器的合力是吗;是相应的射流的偏转角度;控制的时刻交叉的产物吗及其相应的力臂相对于质心。
根据表1,一个推进器可以产生至少两个轴控制力矩,使特定的控制失败;推进器的正确选择,我们可以实现各种控制力矩的水平,确保硬件冗余的RCS。
4所示。设计的控制分配
设计控制分配系统由两部分组成:预先配置单元和分配控制器单元。根据RCS的配置,预先配置单元使用索引控制方法选择所有合理的推进器和过程时刻数据集整个推进器的选择。分配控制器单元,本文运用0 - 1整数规划算法来选择最优选择的推进器,以满足预期的控制要求。通过改变一些参数的算法,这个单位可以确保系统达到最佳的燃油消耗的影响,控制精度等。
图8给了RCS控制分配系统的框图。在图中,预期的控制力矩,通过增益调度控制器的输入是分配系统。因此,考虑到预期的控制要求和推进器的整个可用的选择预先配置单元,控制器可以获得最佳的选择和分配给相应的点火命令当前的执行机构,即RCS。最好的作者的知识,这种控制分配系统可以确保RCS正常工作甚至一些推进器故障。
我们可以看到,设计控制分配系统与舵控制系统有很大的差异。RLV需要一些适当的投放的控制模型推导和简化。一般来说,我们需要考虑时间延迟特性,动态特性推进器的开/关开关,最小脉冲限制(定义变量作为两个推进器的最小间隔的选择,即。,the shortest interval between the ignition and shutdown of each thruster), the maximum ignition duration, the total ON/OFF switching times, and the fuel consumption [27]。
4.1。RCS预先配置方法
根据图8预先配置的第一个任务是决定如何得到所有推进器的合理设置。选择RCS推进器的选择时,我们应该遵循以下原则28]:(1)推进器选择期间,尽量不要带附加耦合的时刻;(2)选择更大的选择控制力臂,因为它是很好的减少RCS的消费;(3)为了提高系统的冗余,通常选择优先的选择。
基于上述原则,我们可以得到所有可能的合理的推进器选择,为下一个数据处理是至关重要的。
这种预先配置单元来处理数据,所有准备控制分配完成。在[24,数据处理有三种方法:相关控制方法,分级控制方法和索引控制方法。
(1)相关的控制方法。根据这种方法,每个选择的主矩与身体的一个轴,这没有耦合问题。如果一个推进器在这个选择,不能在任何其他的选择。尽管这个方法没有充分利用所有的推进器,真是逻辑简单,简化了流程。然而,当一个推进器失败,RCS可能失去控制能力,这意味着系统的冗余是零。
(2)分级控制方法。这种方法是一种改善第一个推进器的利用率。这两种方法之间的区别在于一个推进器可用于多个选择。因此,在某种程度上,这种方法相对增加了系统的冗余。
(3)索引控制方法。这种方法需要所有可能选择的推进器(考虑到单一推进器情况)考虑,他们使用期望控制力矩作为索引或标准进行评估。如果选择的时刻接近预期的时刻,其优先级较高。
索引控制方法三种方法之间的最大冗余,保证系统正常工作,即使一些推进器失败。然而,与其他两种方法相比,这个需要建立大型表的数据,覆盖所有可用合理和推进器的选择。但在修改方法选择主体通过添加到方法作为一个过滤器,可以减少计算量很大。
摘要RCS只能有12个推进器,他们中的一些人有严重的俯仰和滚动通道之间耦合的时刻。因此,修改后的索引控制方法是最好的解决方案。
4.2。RCS控制分配方法
表示 的变量预期的控制力矩,通过增益调度控制器;的变量是实际控制提供的RCS。我们都知道,越接近合成控制时刻的选择是预期的,更好的选择是。也就是说,越少更好的选择是。然而,当的值在两个不同的选择接近对方,变量,如燃料消耗和选定的推进器的数量,应该考虑。
因此,定义目标函数(29日,30.] 的变量推进器的总数。本文采取RCS作为一个例子,。的变量相应的优先选择。也可以被视为这个选择的重量。基于(8),变量越大,糟糕的选择。
定义了向量作为 的变量体重和推进器的优先级在当前的选择。更大的优先级越低。其余的变量推进器的工作条件。例如,如果只有9日和10日推进器工作时,。一般而言,越接近真实的时刻是预期的,目标函数的值越小。选中的推进器的数量越小,更好的选择是。
与此同时,为了减少燃料的消耗,定义范围的死区(31日]。在这个范围之内,偏差的态度开始RCS推进器角度太小了。因此,大是,控制精度越低。
因此,控制分配问题可以被描述为以下0 - 1整数线性规划问题:
根据(10),如何选择权重的值是关键的成功或失败的分配方法,在不同情况下这些值有所不同。通过简化的重量,编程模型修改为以下之一: 的变量是一个12 -矩阵包括合力和力矩的选择预先配置单元;的变量是所有可用的合理选择的总和;的变量表示选择的推进器的总和。
基于上述分析,控制分配系统是由考虑当前的推进器配置,选择的优先级,RCS的无谓,等等。图中描述的设计过程9。
5。数学模拟
在再入的初始阶段,可重复使用的运载火箭保持大攻角(边界之间的动态压力是300 Pa RCS控制阶段和RCS /舵[32,33)复合控制阶段)(34]。这时,舵的气动效率远远不足以满足姿态控制的需要。所以RCS控制是唯一的方法来实现大角度的态度维护。这里的数学模拟,我们验证RCS的控制分配策略和态度之间的比较控制性能和RCS相关参数(35]。
初始条件如下(36]:
仿真结果的RLV结果投放列出如下。
(1)重量 选择的时间间隔 。基于数据10,11,12,16,17,18,19,20.,21,22,23,24,我们发现控制精度下降随着时间的推移,和340年代的RCS燃料消耗率比以往任何时候都更大。原因在于,随着动态压力的增加,气动复原力矩也增加,减少RCS控制的效率。因此,在仿真的结束,只有使用RCS姿态控制变得越来越困难。
在0 - 1整数规划算法,分配的音高,偏航和滚时刻相互影响的。因此,考虑到预期的轧制力矩相对比别人小,它对控制分配的影响较小。这将导致滚动角偏差最大的三个频道,通过比较我们可以看出数据13和14与图15。这个特点是由算法决定的。这并不意味着控制器的滚动通道失败了。
(2)比较不同选择之间的权重 。为了分析不同重量的影响在RCS的分配方法和控制精度,分别设置0,4000 N * m, 8000 N * m,并保持选择的时间间隔为0.1秒。仿真结果如图28,29日,30.。
通过比较不同的选择权重,我们得出这样的结论:RCS的燃料消耗将在一定程度上减少的时候增加。在图31日的消费比这少得多的,但消费接近的吗。
同时,基于数字25,26,27的增加,控制精度会降低,尤其是对偏航和滚动通道。原因是RCS的选择结果分配方法主要是受到最大的预期需求。在这种情况下,期望控制力矩的俯仰通道比其他的大得多。距角控制精度是最高的和滚动角控制精度是最坏的打算。
(3)比较不同推进器选择之间的间隔 。为了分析不同的推进器的影响选择间隔在RCS的分配方法和控制精度,分别设置0.02秒,0.1秒和0.4秒,保持体重在4000年。仿真结果如图32,33,34,38。
从不同时间间隔的仿真比较,我们发现单一选择间隔越短,控制精度越高。但与此同时,数据显示35,36,37,我们可以看到,推进器的打开/关闭的频率大大增加,这将减少RCS的使用寿命。因此,时间间隔应妥善决定根据实际需求。
6。结论
本文设计了控制分配方法反应控制系统的可重复使用的运载火箭。修改索引控制方法提出了解决预先配置的数据处理阶段,并提出了一个简化的0 - 1整数规划算法设计分配控制器。为了演示方案,一系列的数学模拟不同的RCS控制分配策略。结果表明,设计的RCS控制分配方法可以有效地处理在初始再入阶段跟踪精度和鲁棒性。此外,本文提出的方法可以很容易地适用于分配可靠控制器的设计。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。