一种姿轨控发动机的耦合方法技术

一种姿轨控发动机的耦合方法，在将本体系三个方向的位置和滚动、俯仰、偏航三个方向的姿态控制共六自由度控制指令分配问题降维为多个最高为二自由度问题的子问题的基础上，设计了可同时考虑轨道和姿态控制的二自由度子问题的发动机使用方法，包括通过发动机矢量夹角与控制指令夹角的比较进行发动机选择，开机时长的计算以及超界情况下的开机时长处理方法，从而解决了传统发动机使用策略在姿轨控耦合强的情况下，发动机使用效率低的问题，能够有效减少位置和姿态六自由度控制过程中干扰力和干扰力矩的产生，提高控制的精度和稳定性，降低推进剂消耗。

【技术实现步骤摘要】
一种姿轨控发动机的耦合方法
本专利技术涉及一种姿轨控发动机的耦合方法，特别是发动机配置使得径向位置控制与俯仰姿态耦合，轨道面外位置控制与偏航姿态耦合的情况，适用于交会对接等需要同时进行相对位置和相对姿态控制的任务，属于航天器姿态轨道控制系统方案设计领域。
技术介绍
航天器发动机的使用策略，即发动机的控制指令分配算法，直接影响控制作用的实现和推进剂消耗量，因此其设计的好坏对整个控制系统的性能有很重要的影响。特别是对于诸如交会对接这类要求控制精度极高的复杂航天任务来说，地位尤为重要。针对多执行器高冗余度系统的控制指令分配算法，在飞机、船舶、潜艇等领域内早有相关研究，有最小二乘法、伪逆法等。但这些领域中所考虑的执行机构多为双向执行器，即可以产生正负双向的控制量，而航天器发动机的控制指令分配问题的特殊性就在于，作为执行机构的发动机的单向性，即一个固定安装的发动机只能产生一个方向的控制量。目前较为成熟的发动机控制质量分配算法主要有两种：①早期乃至现在仍在普遍使用的传统指令分配算法实质上是一种查表法。它相当于将原来的多自由度控制分配问题分解为若干个单自由度问题，逐一进行指令分配。这种方法要求在进行推力器配置设计时，使得各控制量方向的推力/力矩可由专门的推力器(组)产生，他们之间是一一对应的关系。这样在进行指令分配时，对于控制器给出的推力/力矩需求，即可使用所谓的“检索表”来查找要用的推力器(组)，并得到每台推力器的工作时间。这种方法有着较快的在线计算速度，但是推进剂消耗较大且控制精度不搞。②早在1969年，就出现了发动机控制指令分配问题的线性规划模型，使得该多自由度控制分配问题可以不用降维，直接通过已有的经典算法来求解。线性规划法的优点在于它能求得指令分配问题的最优解，推进剂消耗小且控制精度高，另外算法的通用性和鲁棒性均较强。但就目前的工程实际情况来说，这种算法会对CPU造成较大的负担，尤其是在同时处理多个(大于20个)发动机时，无法满足实时性和在轨计算量的的要求。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供了一种既能减小推进剂消耗又适于工程应用的姿轨控耦合发动机使用策略，包括通过发动机矢量夹角与控制指令夹角的比较进行发动机选择，开机时长的计算以及超界情况下的开机时长处理方法。本专利技术的技术解决方案是：一种姿轨控发动机的耦合方法，其特征在于，包括以下步骤：首先交会对接涉及三轴位置、姿态的六自由度控制任务的六维控制指令分配问题分解为最高为二自由度的子问题，设该二自由度子问题中的两个自由度方向分别为F方向和M方向，其中，F和M方向为六自由度方向中的两个不同方向，然后将该二自由度控制指令分配子问题按以下步骤处理；设用于该二自由度控制指令分配的n台发动机，编号为1～n；其中，p为交会对接任务总的发动机配置台数，且p≥n≥3，p≥12；1)计算发动机矢量夹角，具体为：设编号为i，i∈{1,...n}，的发动机在F方向和M方向的分量记为TiF和TiM，则每台发动机与F方向的夹角按下式计算：如果TiF≥0且TiM≥0，θi＝arctan(TiM/TiF)如果TiF<0且TiM≥0，θi＝π+arctan(TiM/TiF)如果TiF<0且TiM<0，θi＝π+arctan(TiM/TiF)如果TiF≥0且TiM<0，θi＝2π+arctan(TiM/TiF)从而得到n台发动机与F方向夹角θ1～θn；2)选择开机发动机若控制器输出的控制量并非力和力矩的形式，而是开机时间的形式，则需将开机时间按下式化为力或力矩的形式：其中，a为控制器设计时设定的该方向上的控制能力标称值，△t为控制周期，式中，等效控制量即为转化后的力和力矩；将力和力矩形式的等效六维控制指令向量u转变为二自由度子问题，即F和M方向上的控制指令分量分别为uF和uM，构成二维指令向量[uFuM]与F方向的夹角按下式计算：如果uF≥0且uM≥0，θu＝arctan(uM/uF)如果uF<0且uM≥0，θu＝π+arctan(uM/uF)如果uF<0且uM<0，θu＝π+arctan(uM/uF)如果uF≥0且uM<0，θu＝2π+arctan(uM/uF)将步骤1)中θ1～θn按从小到大依次排列，并将θu与θ1～θn逐一进行比较，如果满足如下两个条件，则开机发动机编号为i和j；条件1：θi≤θu<θj(i,j∈{1,...n})条件2：对于k≠i且k≠j，θi<θk<θj不成立；3)发动机开机时长计算设步骤2)中选出的开机发动机i和j在F方向和M方向的分量分别记为TiF、TiM和TjF、TjM，则发动机i和j的开机时长计算公式如下：K＝TiFTjM-TjFTiM其中，和为这两个发动机的开机时长虚拟值；如果计算结果满足且i,j∈{1,...n}，则转步骤5)，否则转步骤4)；4)开机时长超界处理对于的情况，称为开机时长超界，这种情况下的处理方法如下：②有1台发动机的开机时长大于1优先满足某一方向的控制需求，即如果则优先满足M或F方向控制需求的发动机开机时间计算公式如下式中：下角标中X为M或F；优先满足M方向时，式中X为M；优先满足F方向时，式中X为F；经上述处理后，若仍存在开机时长大于1的发动机，则将其开机时长直接赋值为1；②若2台发动机开机时长皆大于1，则直接将2台发动机赋值为1；5)计算发动机i和j的开机时长真实值在一个控制周期内，发动机i和j开机的真实时长由下面的公式给出：其中，△t为控制周期；其中ti为发动机i的开机时长，tj为发动机j的开机时长；6)根据ti和tj，对超出控制周期的开机时长限幅，赋值为控制周期，对其它n-2台发动机的开机时长赋值为0，完成控制指令分配。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)本专利技术提出一种姿轨控耦合的发动机使用策略，相比于工程中常用的传统解耦查表法，控制指令分配问题的求解从单自由度提高到二自由度，能同时考虑轨道和姿态控制的需求，故能提高发动机使用效率，减少干扰力和力矩的产生，从而达到提高控制精度和稳定度，并减小推进剂消耗的效果。(2)本专利技术的发动机使用策略，相比于理论分析中常用的规划寻优算法，控制指令分配问题的求解从六自由度降低到二自由度，省去了在线迭代寻优的过程，计算速度快，符合目前星载计算机的计算处理水平，是适合工程化的优化算法。(3)本专利技术所提出的发动机使用策略，作为神舟八号、九号、十号飞船交会对接发动机使用策略的核心算法，已经过在轨飞行验证，大大减小了推进剂消耗并提高了控制精度。附图说明图1为本专利技术二自由度发动机使用策略的流程框图；具体实施方式航天器本体系定义为：原点o为航天器的质心，ox轴沿航天器纵轴指向飞行方向，oy轴沿航天器的横向，垂直于纵轴，指向轨道角速度反方向，oz轴与ox、oy轴构成右手系。交会对接等复杂控制任务，需要同时进行位置、姿态的六自由度控制。这六个自由度分别为沿ox、oy和oz三轴方向的位置控制和以ox、oy、oz为轴的滚动、俯仰、偏航三个方向上的姿态控制。在发动机配置满足任务控制能力要求的前提下，本专利技术的姿轨耦合发动机使用策略是将原六自由度控制分配任务分解为若干最高自由度为二的子任务，然后分别求解控制指令分配子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种姿轨控发动机的耦合方法，其特征在于，包括以下步骤：首先交会对接涉及三轴位置、姿态的六自由度控制任务的六维控制指令分配问题分解为最高为二自由度的子问题，设该二自由度子问题中的两个自由度方向分别为F方向和M方向，其中，F和M方向为六自由度方向中的两个不同方向，然后将该二自由度控制指令分配子问题按以下步骤处理；设用于该二自由度控制指令分配的n台发动机，编号为1～n；其中，p为交会对接任务总的发动机配置台数，且p≥n≥3，p≥12；1)计算发动机矢量夹角，具体为：设编号为i，i∈{1,...n}，的发动机在F方向和M方向的分量记为TiF和TiM，则每台发动机与F方向的夹角按下式计算：如果TiF≥0且TiM≥0，θi＝arctan(TiM/TiF)如果TiF<0且TiM≥0，θi＝π+arctan(TiM/TiF)如果TiF<0且TiM<0，θi＝π+arctan(TiM/TiF)如果TiF≥0且TiM<0，θi＝2π+arctan(TiM/TiF)从而得到n台发动机与F方向夹角θ1～θn；2)选择开机发动机若控制器输出的控制量并非力和力矩的形式，而是开机时间的形式，则需将开机时间按下式化为力或力矩的形式：其中，a为控制器设计时设定的该方向上的控制能力标称值，△t为控制周期，式中，等效控制量即为转化后的力和力矩；将力和力矩形式的等效六维控制指令向量u转变为二自由度子问题，即F和M方向上的控制指令分量分别为uF和uM，构成二维指令向量[uF uM]与F方向的夹角按下式计算：如果uF≥0且uM≥0，θu＝arctan(uM/uF)如果uF<0且uM≥0，θu＝π+arctan(uM/uF)如果uF<0且uM<0，θu＝π+arctan(uM/uF)如果uF≥0且uM<0，θu＝2π+arctan(uM/uF)将步骤1)中θ1～θn按从小到大依次排列，并将θu与θ1～θn逐一进行比较，如果满足如下两个条件，则开机发动机编号为i和j；条件1：θi≤θu<θj(i,j∈{1,...n})条件2：对于k≠i且k≠j，θi<θk<θj不成立；3)发动机开机时长计算设步骤2)中选出的开机发动机i和j在F方向和M方向的分量分别记为TiF、TiM和TjF、TjM，则发动机i和j的开机时长计算公式如下：ti*=K(TjMuF-TjFuM)]]>tj*=K(-TiMuF+TiFuM)]]>K＝TiFTjM‑TjFTiM其中，和为这两个发动机的开机时长虚拟值；如果计算结果满足且i,j∈{1,...n}，则转步骤5)，否则转步骤4)；4)开机时长超界处理对于的情况，称为开机时长超界，这种情况下的处理方法如下：①有1台发动机的开机时长大于1优先满足某一方向的控制需求，即如果则优先满足M或F方向控制需求的发动机开机时间计算公式如下ti*=1,]]>tj*=(uX-TiX)/TjX]]>式中：下角标中X为M或F；优先满足M方向时，式中X为M；优先满足F方向时，式中X为F；经上述处理后，若仍存在开机时长大于1的发动机，则将其开机时长直接赋值为1；②若2台发动机开机时长皆大于1，则直接将2台发动机赋值为1；5)计算发动机i和j的开机时长真实值在一个控制周期内，发动机i和j开机的真实时长由下面的公式给出：ti=ti*×Δttj=tj*×Δt]]>其中，△t为控制周期；其中ti为发动机i的开机时长，tj为发动机j的开机时长；6)根据ti和tj，对超出控制周期的开机时长限幅，赋值为控制周期，对其它n‑2台发动机的开机时长赋值为0，完成控制指令分配。...

【技术特征摘要】
1.一种姿轨控发动机的耦合方法，其特征在于，包括以下步骤：首先交会对接涉及三轴位置、姿态的六自由度控制任务的六维控制指令分配问题分解为最高为二自由度的子问题，设该二自由度子问题中的两个自由度方向分别为F方向和M方向，其中，F和M方向为六自由度方向中的两个不同方向，然后将该二自由度控制指令分配子问题按以下步骤处理；设用于该二自由度控制指令分配的n台发动机，编号为1～n；其中，p为交会对接任务总的发动机配置台数，且p≥n≥3，p≥12；1)计算发动机矢量夹角，具体为：设编号为i，i∈{1,...n}，的发动机在F方向和M方向的分量记为TiF和TiM，则每台发动机与F方向的夹角按下式计算：如果TiF≥0且TiM≥0，θi＝arctan(TiM/TiF)如果TiF<0且TiM≥0，θi＝π+arctan(TiM/TiF)如果TiF<0且TiM<0，θi＝π+arctan(TiM/TiF)如果TiF≥0且TiM<0，θi＝2π+arctan(TiM/TiF)从而得到n台发动机与F方向夹角θ1～θn；2)选择开机发动机若控制器输出的控制量并非力和力矩的形式，而是开机时间的形式，则需将开机时间按下式化为力或力矩的形式：其中，a为控制器设计时设定的该方向上的控制能力标称值，△t为控制周期，式中，等效控制量即为转化后的力和力矩；将力和力矩形式的等效六维控制指令向量u转变为二自由度子问题，即F和M方向上的控制指令分量分别为uF和uM，构成二维指令向量[uFuM]与F方向的夹角按下式计算：如果uF≥0且uM≥0，θu＝arctan(uM/uF)如果uF<0且uM≥0，θu＝π+arctan(uM/uF)如果uF<0且uM<0，θu＝π+arctan(uM/uF)如果uF≥0且uM<0，θu＝2π+arctan(uM/uF)将步骤1)中θ1～θn按从小到大依次排列...

【专利技术属性】
技术研发人员：王敏，解永春，张昊，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11