基于检验质量加速度PSD指标的无拖曳控制系统设计方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于检验质量加速度PSD指标的无拖曳控制系统设计方法，包括以下步骤：基于无拖曳控制系统检验质量加速度PSD指标要求所指定频段的上确界频率设计PID参数、控制刷新率与PID控制器中微分环节所串联的惯性环节的时间常数；核算无拖曳控制系统的检验质量加速度PSD设计值在指定频段上是否满足指标要求，减小推进时间常数和/或降低噪声包络参数，并相应调整PID参数和控制刷新率，直至无拖曳控制系统的稳定裕度满足指标要求且其检验质量加速度PSD设计值在指定频段上满足指标要求；输出满足要求的设计参数。本发明专利技术基于外扰力噪声加速度PSD包络建立检验质量加速度PSD指标表达式，给出位移无拖曳控制系统的系统性设计方法。统性设计方法。统性设计方法。

【技术实现步骤摘要】
基于检验质量加速度PSD指标的无拖曳控制系统设计方法


[0001]本专利技术涉及卫星无拖曳控制
，特别是一种基于检验质量加速度PSD指标的无拖曳控制系统设计方法。

技术介绍

[0002]无拖曳控制技术是重力场测量卫星、引力波探测卫星及等效原理检验卫星控制
的关键技术。按所控制状态变量的不同，无拖曳控制区分为加速度模式无拖曳控制与位移模式无拖曳控制两类。位移模式无拖曳控制可使得惯性传感器中的检验质量几乎不受除天体引力之外的其它任何保守力与非保守力的作用，从而可视为空间惯性基准，是空间引力波探测航天器的重大关键技术之一。
[0003]位移模式无拖曳控制要求通过推力连续可调的推力器，将星上惯性传感器中的检验质量控制在其电极笼内标称位置附近很小的变化范围之内。检验质量相对于该标称位置的位移是其受到静电偏压负刚度力与卫星受到太阳光压力、大气阻力及推力器推力共同作用的结果。惯性传感器沿无拖曳控制通道的负刚度系数使位移无拖曳控制对象具有正实特征值，开环不稳定，是位移无拖曳被控对象的本质特征。
[0004]目前未见公开文献中有关于位移无拖曳控制系统设计方法的报道，我国已有某空间惯性基准技术试验卫星位移无拖曳控制系统采用现成惯性传感器与冷气推进系统进行集成，没有明确的检验质量加速度PSD指标要求，仅给出一个容易实现的时域指标要求；位移无拖曳控制系统以空间引力波探测作为应用场景，在未来空间引力波探测科学任务型号上，必然会有来自顶层的明确的检验质量加速度PSD指标要求。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于检验质量加速度PSD指标的位移无拖曳控制系统设计方法，为此类无拖曳控制系统设计、推进系统指标要求确定及PID控制参数整定奠定了系统性的理论基础。
[0006]本专利技术的技术解决方案是：
[0007]基于检验质量加速度PSD指标的无拖曳控制系统设计方法，包括以下步骤：
[0008](1)构建无拖曳控制系统，使其为前向回路包括微分环节串联有惯性环节的PID控制器、推进系统和惯性传感器，推进系统与惯性传感器之间存在外扰力加速度噪声的单位负反馈闭环系统，通过PID控制器驱动推进系统对航天器惯性传感器中的检验质量的位移进行控制，设计参数包括PID参数、PID控制器微分环节所串联惯性环节的时间常数T
d
、控制刷新率f
s
，外扰力加速度噪声的噪声包络参数，推进系统的推进时间常数；
[0009](2)基于无拖曳控制系统的检验质量加速度PSD指标要求所指定频段的上确界频率ω
h
设计PID参数，根据PID参数确定f
s
，并根据f
s
确定T
d
；
[0010](3)预设噪声包络参数和推进时间常数，结合(2)中设计的PID参数、f
s
和T
d
，核算无拖曳控制系统的稳定裕度，若满足稳定裕度指标，进入步骤(4)，否则调节PID参数使无拖曳
控制系统带宽ω
c
降低，直至稳定裕度满足指标要求，进入步骤(4)；
[0011](4)核算无拖曳控制系统在检验质量加速度PSD指标要求所指定频段上的检验质量加速度PSD设计值是否满足要求，若满足，进入步骤(6)，否则进入步骤(5)；
[0012](5)减小推进时间常数和/或降低噪声包络参数，并相应调整PID参数、f
s
和T
d
，直至无拖曳控制系统的稳定裕度满足指标要求且其检验质量加速度PSD设计值满足所指定频段上的检验质量加速度PSD指标要求；
[0013](6)输出满足要求的设计参数。
[0014]优选的，所述步骤(2)中，基于无拖曳控制系统的检验质量加速度PSD指标指定频段的上确界频率ω
h
设计PID参数，具体为：
[0015]取无拖曳控制系统带宽ω
c
比检验质量加速度PSD指标指定频段的上确界频率ω
h
大一个量级根据以下表达式选取PID参数：
[0016][0017][0018][0019]式中，k
p
为比例系数、k
i
为积分系数、k
d
为微分系数，为检验质量负刚度系数，ξ为阻尼系数。
[0020]优选的，所述步骤(2)中，根据PID参数确定f
s
，具体为：
[0021]f
s
满足以下表达式：
[0022]其中π为圆周率。
[0023]优选的，所述步骤(2)中，根据f
s
确定T
d
，具体为：
[0024][0025]优选的，所述噪声包络参数包括中高频白噪声的PSD值S
m
和低频粉红噪声驱动白噪声的标准差σ
l
。
[0026]优选的，所述低频粉红噪声驱动白噪声的标准差σ
l
通过以下方法确定：在低频粉红噪声PSD包络曲线上任取频点f＝f0所对应的坐标点(f0，S1(f0))，并按下式计算出：
[0027]优选的，所述推进系统采用冷气推进，无拖曳控制系统的检验质量加速度PSD设计值通过以下表达式计算：
[0028][0029][0030]式中，S
x1
(ω)为推进系统采用冷气推进时无拖曳控制系统的检验质量加速度PSD
设计值，ω为圆频率自变量，τ1为冷气推进延迟时间，τ2为冷气推进惯性环节时间常数。
[0031]优选的，所述推进系统采用电推进，无拖曳控制系统的检验质量加速度PSD设计值通过以下表达式计算：
[0032][0033][0034]式中，S
x2
(ω)为推进系统采用电推进时无拖曳控制系统的检验质量加速度PSD设计值，τ3为电推进延迟时间，τ4为电推进惯性环节时间常数，ζ为电推进二阶振荡环节的阻尼系数。
[0035]优选的，所述步骤(5)中，调整推进时间常数和/或降低噪声包络参数，并相应调整PID参数、f
s
和T
d
，直至无拖曳控制系统的稳定裕度满足指标要求且其检验质量加速度PSD值满足指标要求，具体为：
[0036]缩短推进时间常数和/或减小噪声包络参数；缩短推进时间常数时，以拓展ω
c
为目标，增大PID参数，增大控制刷新率f
s
，并由f
s
确定T
d
。
[0037]优选的，所述步骤(3)中，调节PID参数使系统带宽ω
c
降低，直至稳定裕度满足指标要求，具体为：在满足稳定裕度指标的前提下尽可能少地降低PID参数的取值。
[0038]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0039](1)本专利技术给出PID控制器参数整定的初始取值范围，使得PID参数的迭代搜索确定过程得以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于检验质量加速度PSD指标的无拖曳控制系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建无拖曳控制系统，使其为前向回路包括微分环节串联有惯性环节的PID控制器、推进系统和惯性传感器，推进系统与惯性传感器之间存在外扰力加速度噪声的单位负反馈闭环系统，通过PID控制器驱动推进系统对航天器惯性传感器中的检验质量的位移进行控制，设计参数包括PID参数、PID控制器微分环节所串联惯性环节的时间常数T
d
、控制刷新率f
s
，外扰力加速度噪声的噪声包络参数，推进系统的推进时间常数；(2)基于无拖曳控制系统的检验质量加速度PSD指标要求所指定频段的上确界频率ω
h
设计PID参数，根据PID参数确定f
s
，并根据f
s
确定T
d
；(3)预设噪声包络参数和推进时间常数，结合(2)中设计的PID参数、f
s
和T
d
，核算无拖曳控制系统的稳定裕度，若满足稳定裕度指标，进入步骤(4)，否则调节PID参数使无拖曳控制系统带宽ω
c
降低，直至稳定裕度满足指标要求，进入步骤(4)；(4)核算无拖曳控制系统在检验质量加速度PSD指标要求所指定频段上的检验质量加速度PSD设计值是否满足要求，若满足，进入步骤(6)，否则进入步骤(5)；(5)减小推进时间常数和/或降低噪声包络参数，并相应调整PID参数、f
s
和T
d
，直至无拖曳控制系统的稳定裕度满足指标要求且其检验质量加速度PSD设计值满足所指定频段上的检验质量加速度PSD指标要求；(6)输出满足要求的设计参数。2.根据权利要求1所述的基于检验质量加速度PSD指标的无拖曳控制系统设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，基于无拖曳控制系统的检验质量加速度PSD指标指定频段的上确界频率ω
h
设计PID参数，具体为：取无拖曳控制系统带宽ω
c
比检验质量加速度PSD指标指定频段的上确界频率ω
h
大一个量级根据以下表达式选取PID参数：个量级根据以下表达式选取PID参数：个量级根据以下表达式选取PID参数：式中，k
p
为比例系数、k
i
为积分系数、k
d
为微分系数，为检验质量负刚度系数，ξ为阻尼系数。3.根据权利要求2所述的基于检验质量加速度PSD指标的无拖曳控制系统设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据PID参数确定f
s
，具体为：f
s

【专利技术属性】
技术研发人员：苟兴宇，邹奎，王丽娇，陶佳伟，谈树萍，刘其睿，蒋庆华，王绍凯，李明群，李声涛，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：