本發(fā)明涉及反作用推力器調(diào)制方法，特別涉及一種基于脈沖寬度調(diào)節(jié)的反作用推力器脈沖寬度調(diào)制方法、裝置。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星、飛船和可重復(fù)使用運(yùn)載器普遍使用反作用推力器(Reaction Control System,RCS)來進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)。由于RCS具有離散的工作特點(diǎn)，只能工作在全開或關(guān)閉狀態(tài)，無法產(chǎn)生連續(xù)的控制力矩。因此在實(shí)際使用時(shí)，需采用調(diào)制方法，以使RCS產(chǎn)生等效的連續(xù)力矩。

目前工程上普遍使用的RCS調(diào)制方法為施密特觸發(fā)器方式，當(dāng)姿態(tài)控制誤差超出控制門限時(shí)，RCS開啟，當(dāng)姿態(tài)控制誤差低于控制門限時(shí)RCS關(guān)閉。這種方式雖然容易實(shí)現(xiàn)，但由于施密特觸發(fā)器本身是一種非線性環(huán)節(jié)，因此無法利用成熟的線性控制方法進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，必須利用非線性工具，如描述函數(shù)法或相平面法；另外，施密特觸發(fā)器基于的控制原理為bang-bang控制，對RCS流量需求較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，簡化RCS控制器的設(shè)計(jì)，同時(shí)降低RCS流量消耗，實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)節(jié)的反作用推力器調(diào)制。

解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于脈沖寬度調(diào)節(jié)的反作用推力器調(diào)制方法，包括如下步驟：

開啟RCS反作用推力器，將連續(xù)力矩調(diào)制成所述RCS的控制指令，用以在有效采樣周期內(nèi)產(chǎn)生和所述連續(xù)力矩具有等價(jià)性的離散力矩。

更進(jìn)一步，所述有效采樣周期是指：線性連續(xù)域內(nèi)。

更進(jìn)一步，所述控制指令為開關(guān)指令。

更進(jìn)一步，采用占空比作為所述RCS控制指令。

更進(jìn)一步，所述占空比表示所述RCS開啟時(shí)間與采樣周期之間的比值，取值范圍為[0 1]。

更進(jìn)一步，所述連續(xù)力矩M_c＝M_rcs·DR，M_rcs為噴管力矩。

更進(jìn)一步，所述有效采樣周期其中ω_h為控制系統(tǒng)中最高頻率分量。

更進(jìn)一步，所述有效采樣周期ω_c為RCS姿態(tài)控制系統(tǒng)中姿態(tài)控制器截止頻率。

更進(jìn)一步，所述RCS采用離散或者開關(guān)型的工作模式。

本發(fā)明還提供了一種基于脈沖寬度調(diào)節(jié)的反作用推力器調(diào)制裝置，包括姿態(tài)控制器和PWM調(diào)制器，

所述姿態(tài)控制器，用以根據(jù)姿態(tài)誤差在RCS反作用推力器中輸出連續(xù)力矩；

所述PWM調(diào)制器，用以將所述連續(xù)力矩調(diào)制成所述RCS的控制指令，用以在有效采樣周期內(nèi)產(chǎn)生和所述連續(xù)力矩具有等價(jià)性的離散力矩。

本發(fā)明的有益效果：

1)本發(fā)明中的一種基于脈沖寬度調(diào)節(jié)(Pulse-Width Modulation,PWM)的RCS調(diào)制方法；采用PWM調(diào)制方法，可將RCS姿態(tài)控制的設(shè)計(jì)解耦成兩個(gè)相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)和PWM調(diào)制器設(shè)計(jì)。姿態(tài)控制器在連續(xù)域內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，假定RCS輸出連續(xù)力矩，可利用成熟的線性系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論；PWM調(diào)制器將姿態(tài)控制器輸出的連續(xù)力矩調(diào)制成RCS的開關(guān)指令，產(chǎn)生和連續(xù)力矩具有等價(jià)性的離散力矩。

2)采用PWM調(diào)制方法使得RCS姿態(tài)控制器的分析和設(shè)計(jì)能夠利用成熟的線性系統(tǒng)控制理論，降低了設(shè)計(jì)難度。同時(shí)，由于能夠使用線性控制方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此，能夠盡可能降低RCS姿態(tài)控制器對流量的需求。

附圖說明

圖1是RCS姿態(tài)控制原理示意圖。

圖2是PWM的調(diào)制原理示意圖。

圖3是連續(xù)力矩與占空比映射關(guān)系圖。

圖4(a)—圖4(b)是PWM的調(diào)制等效性示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1是RCS姿態(tài)控制原理示意圖。

圖中表示為完整的RCS姿態(tài)控制原理，由姿態(tài)控制器和PWM調(diào)制器組成。在設(shè)計(jì)姿態(tài)控制器時(shí)，假定執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出連續(xù)力矩，則可利用常規(guī)的線性系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行控制律的設(shè)計(jì)和分析。

圖2是PWM的調(diào)制原理示意圖。

本實(shí)施例中的一種基于脈沖寬度調(diào)節(jié)的反作用推力器調(diào)制方法，包括如下步驟：開啟RCS反作用推力器，將連續(xù)力矩調(diào)制成所述RCS的控制指令，用以在有效采樣周期內(nèi)產(chǎn)生和所述連續(xù)力矩具有等價(jià)性的離散力矩。

作為本實(shí)施例中的優(yōu)選，所述有效采樣周期是指：線性連續(xù)域內(nèi)。

作為本實(shí)施例中的優(yōu)選，所述控制指令為開關(guān)指令。

作為本實(shí)施例中的優(yōu)選，采用占空比作為所述RCS控制指令。

作為本實(shí)施例中的優(yōu)選，所述占空比表示所述RCS開啟時(shí)間與采樣周期之間的比值，取值范圍為[0 1]。

作為本實(shí)施例中的優(yōu)選，所述連續(xù)力矩M_c＝M_rcs·DR，M_rcs為噴管力矩。

作為本實(shí)施例中的優(yōu)選，所述有效采樣周期其中ω_h為控制系統(tǒng)中最高頻率分量。

作為本實(shí)施例中的優(yōu)選，所述有效采樣周期ω_c為RCS姿態(tài)控制系統(tǒng)中姿態(tài)控制器截止頻率。

作為本實(shí)施例中的優(yōu)選，所述RCS采用離散或者開關(guān)型的工作模式。

本實(shí)施例中的一種基于脈沖寬度調(diào)節(jié)(Pulse-Width Modulation,PWM)的RCS調(diào)制方法；采用PWM調(diào)制方法，可將RCS姿態(tài)控制的設(shè)計(jì)解耦成兩個(gè)相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)和PWM調(diào)制器設(shè)計(jì)。姿態(tài)控制器在連續(xù)域內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，假定RCS輸出連續(xù)力矩，可利用成熟的線性系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論；PWM調(diào)制器將姿態(tài)控制器輸出的連續(xù)力矩調(diào)制成RCS的開關(guān)指令，產(chǎn)生和連續(xù)力矩具有等價(jià)性的離散力矩。

本發(fā)明還公開了一種基于脈沖寬度調(diào)節(jié)的反作用推力器調(diào)制裝置，包括：姿態(tài)控制器和PWM調(diào)制器，所述姿態(tài)控制器，用以根據(jù)姿態(tài)誤差在RCS反作用推力器中輸出連續(xù)力矩；所述PWM調(diào)制器，用以將所述連續(xù)力矩調(diào)制成所述RCS的控制指令，用以在有效采樣周期內(nèi)產(chǎn)生和所述連續(xù)力矩具有等價(jià)性的離散力矩。

本實(shí)施例中通過將RCS姿態(tài)控制的設(shè)計(jì)過程解耦成兩個(gè)相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)和PWM調(diào)制器設(shè)計(jì)。姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)在連續(xù)域內(nèi)進(jìn)行，假定RCS輸出連續(xù)力矩，并可利用成熟的線性系統(tǒng)理論；PWM調(diào)制器將姿態(tài)控制器輸出的連續(xù)力矩調(diào)制成RCS的開關(guān)指令，以產(chǎn)生和連續(xù)力矩具有等價(jià)性的離散力矩。PWM調(diào)制方法使得RCS姿態(tài)控制器的分析和設(shè)計(jì)能夠利用成熟的線性系統(tǒng)控制理論，降低了設(shè)計(jì)難度。同時(shí)，由于能夠使用線性控制方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此，能夠盡可能降低RCS姿態(tài)控制器對流量的需求。

本發(fā)明的原理：

姿態(tài)控制律設(shè)計(jì)是以RCS輸出連續(xù)力矩為前提，而實(shí)際上RCS只能采用離散、開關(guān)型的工作模式。PWM調(diào)制實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了連續(xù)力矩和離散力矩的“橋接”，通過控制RCS的開關(guān)，使RCS產(chǎn)生與連續(xù)力矩等效的離散力矩。

為了滿足姿態(tài)控制器的“連續(xù)力矩”假設(shè)，PWM調(diào)制器需滿足以下兩個(gè)條件：

1)等效性：RCS產(chǎn)生的離散力矩和連續(xù)力矩必須具有等效性，即“沖量等效”；

2)實(shí)效性：RCS必須能夠在控制器允許的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生等效的力矩，以滿足控制需求。

為了PWM調(diào)制器的“等效性”和“時(shí)效性”要求，本發(fā)明公開了PWM調(diào)制器的設(shè)計(jì)方法，包括其調(diào)制原理和采樣周期的選擇。其調(diào)制原理使得離散力矩和連續(xù)力矩具有“等效性”，選擇合適的采樣周期，使得離散力矩具有“時(shí)效性”。

1、PWM調(diào)制原理

PWM調(diào)制的核心思想是沖量等效原理，如式(1)。

M_rcs·t_on＝M_c·T (1)

其中M_rcs為噴管力矩，M_c為連續(xù)力矩，T為采樣周期，t_on為RCS開啟時(shí)間。式(1)可以描述為：RCS通過t_on時(shí)間段的開啟，來等效一個(gè)采樣周期T時(shí)間內(nèi)的連續(xù)力矩M_c需求。

為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)力矩與RCS控制指令的線性映射。引入占空比的概念，如式(2)。

$DR=\frac{t_{on}}{T}---\left(2\right)$

占空比DR為RCS開啟時(shí)間與采樣周期之間的比值，取值范圍為[0 1]。則噴管力矩M_rcs，連續(xù)力矩M_c和占空比DR之間具有式(3)所示關(guān)系。

M_c＝M_rcs·DR (3)

由式(3)可知，連續(xù)力矩與占空比之間為線性關(guān)系，如圖3所示，是連續(xù)力矩與占空比映射關(guān)系圖。

可見采用占空DR比作為RCS控制指令，能夠使連續(xù)力矩和RCS離散力矩之間滿足“等效性”。如圖4(a)—圖4(b)所述是PWM的調(diào)制等效性示意圖PWM調(diào)制等效性示意圖。

2、采樣周期選擇

根據(jù)沖量等效原理，引入占空比作為作為RCS控制指令，使連續(xù)力矩與RCS離散力矩之間具備了“等效性”，但是PWM調(diào)制還必須滿足控制系統(tǒng)的“時(shí)效性”要求。實(shí)效性體現(xiàn)為RCS輸出一次等效力矩的時(shí)間間隔，即采樣周期。

采樣周期是與控制系統(tǒng)的帶寬密切相關(guān)的，控制系統(tǒng)帶寬越大，采樣周期則需要越小。香農(nóng)采樣定理規(guī)定了采樣頻率之間的關(guān)系，如式(4)。

$T\≤\frac{2\mathrm{\π}}{2{\mathrm{\ω}}_h}---\left(4\right)$

其中ω_h控制系統(tǒng)中最高頻率分量。由于實(shí)際控制系統(tǒng)并不滿足有限帶寬條件，工程中一般取ω_h＝5ω_c來進(jìn)行近似。則系統(tǒng)采樣頻率與控制系統(tǒng)截止頻率ω_c之間的關(guān)系為：

$T\≤\frac{\mathrm{\π}}{5{\mathrm{\ω}}_c}---\left(5\right)$

對于RCS姿態(tài)控制系統(tǒng)，ω_c為姿態(tài)控制器截止頻率。

所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：以上，所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。