一種柵格舵與側噴流的復合姿態控制方法與流程
本發明屬于航天飛行器姿態控制技術領域，更具體地，涉及一種柵格舵與側噴流復合姿態控制方法。
背景技術：
近年來應急空間技術得到了很大的發展，這對低成本固體運載火箭提出了更多的需求。為了減小起飛重量，達到運載火箭小型化的目的，在運載火箭一級可采用柵格舵作為全動舵面進行姿態穩定控制。柵格舵具有控制效率高，控制鉸鏈力矩小的優點。但是在運載火箭起飛初始段，由于動壓很小，柵格舵控制效率很低，無法克服干擾力矩的影響使運載火箭穩定飛行，因此在起飛初始段，采用柵格舵+側噴流復合控制的方式，既增強控制能力達到控制效果，又能節省能量。
柵格舵技術起源于俄羅斯，已在俄羅斯R-77空空導彈等眾多型號上成功應用，優勢明顯，具有廣闊的應用前景。在國內，神舟飛船逃逸塔也采用了柵格翼穩定控制方案。相對于平面舵，柵格翼阻力稍大，但具有外廓尺寸小、承載性能好、易于實現折疊的優點，可以較好的滿足小型固體運載火箭的穩定控制要求。側噴流(RCS)控制通過高速噴射質量，來獲得控制力矩，具有直接產生控制力、響應速度快、使用不受環境限制等優勢。目前在國內多個運載火箭上得到成功應用。
目前，對于固體運載火箭的姿態穩定控制，國內尚無應用柵格舵與側噴流復合姿態控制的先例。由柵格舵和側噴流的原理可知，一套是離散控制機構，另一套是連續控制機構，如何對這個混合的控制系統進行設計是需要解決的問題。
因此需提出一種柵格舵與側噴流復合姿態控制方法，以滿足固體運載火箭姿態控制的需求。
技術實現要素：
針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種柵格舵與側噴流復合姿態控制方法，以實現對運載火箭姿態的穩定控制。
為實現上述目的，按照本發明，提供了一種柵格舵與側噴流姿態控制方法，所述方法包括以下步驟：
S1、對原始氣動數據進行插值計算得到氣動導數；
S2、根據所述氣動導數計算彈體動力系數，進而獲得到彈體穩定性指標和操縱性指標；
S3、在上述彈體穩定性指標和操縱性指標的基礎上，分別進行基于側噴流、柵格舵的校正網絡設計，并設計相應的陷波濾波器，以減小彈性振動的影響，
S4、在校正網絡設計、陷波濾波器設計的基礎上，按控制效率分別對柵格舵執行機構與側噴流執行機構進行復合控制分配策略設計。
作為進一步優選地，所述步驟S1中，所述原始氣動數據包括：阻尼力矩系數、俯仰力矩系數對攻角的導數、俯仰力矩系數對舵偏角的導數、偏航力矩系數對側滑角的導數、偏航力矩系數對舵偏角的導數、側力系數對側滑角的導數以及側力系數對舵偏角的導數。
作為進一步優選地，所述步驟S2中，根據動力系數分析穩定性和操縱性具體為，根據俯仰力矩系數對攻角的導數和俯仰力矩系數對舵偏角的導數及相應的彈道參量，計算彈體的動力系數b2和b3，其中，b2表征彈體的靜穩定性，b3表征導彈執行機構控制效率。
作為進一步優選地，所述步驟S3中的陷波結構濾波器為：
其中，所述Δψ為俯仰姿態角偏差，Δψlb為經俯仰通道陷波濾波器輸出的俯仰通道姿態角偏差，當參數K分別取0、1和2時，參數A0、A1、A2、B1、B2為濾波器網絡參數，參數A0、A1、A2、B1、B2在考慮頻率特性的基礎上進行選擇,z為通用的離散化因子。
作為進一步優選地，所述步驟S4中，所述校正網絡包括俯仰、偏航校正網絡和滾動通道校正網絡，
所述俯仰、偏航校正網絡輸出為：其中，為俯仰、偏航校正網絡輸出，所述Δψlb為經俯仰通道陷波濾波器網絡輸出的俯仰通道的姿態角偏差，Δψ為俯仰、偏航姿態角偏差，當參數K分別取0、1、2以及3時，參數C0、C1、C2、C3、D1、D2、D3為俯仰通道校正網絡參數，z為通用的離散化因子；
所述滾動通道校正網絡輸出為：其中，Uγ為滾動通道校正網絡輸出，Δγ為滾動通道的姿態角偏差，z為通用的離散化因子，當參數K分別取0、1、2以及3時，參數E0、E1、E2、E3、F1、F2、F3均為滾動通道校正網絡參數。
作為進一步的優選，所述步驟S4中，在校正網絡設計、陷波濾波器設計的基礎上，根據控制效率對柵格舵與側噴流這兩種執行機構進行復合控制分配策略設計，主要包括時間分配與控制分配，
其中，時間分配為：設柵格舵與側噴流復合姿態控制開始時間為0秒，將整個控制過程分為三段，第一段為側噴流控制(0～t1)，第二段為側噴流與柵格舵復合控制(t1～t2)，第三段為柵格舵控制(t2～t3)，其中，t1、t2以及t3分別表示不同的控制時刻。
控制分配為：將柵格舵系統與側噴流兩者作為一套執行機構，控制量分別進入柵格舵控制網絡與側噴流控制網絡，分別輸出控制力矩，共同完成姿態控制。
總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，主要具備以下的技術優點：
本發明柵格舵與側噴流復合姿態控制方法通過將柵格舵和側噴流組合為一套執行機構，合理進行控制策略分配，并設計相應的陷波濾波器(結構濾波器)和校正網絡，使得控制效率得到大大增強。應用本發明方法，解決了復合控制分配策略設計的問題，可實現柵格舵與側噴流對運載火箭姿態實施復合控制，滿足了姿態穩定的指標要求，并具有良好的穩定品質。
附圖說明
圖1是本發明實施例的柵格舵與側噴流復合姿態控制方法流程圖；
圖2為本發明柵格舵與側噴流控制分配策略原理圖；
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
圖1為本發明柵格舵姿態控制方法流程圖。如圖1所示，本發明方法包括以下步驟：
S1、對原始氣動數據進行插值計算得到氣動導數；
S2、根據所述氣動導數計算獲得彈體動力系數，由所述彈體動力學參數獲得彈體穩定性指標和操縱性指標；
S3、在上述氣動性能分析的基礎上，分別進行基于側噴流、柵格舵的校正網絡設計，并設計相應的陷波濾波器，以減小彈性振動的影響，設計時考慮彈體穩定性指標和操縱性指標。
S4、在校正網絡設計、陷波濾波器設計的基礎上，按控制效率對柵格舵與側噴流這兩種執行機構進行復合控制分配策略設計。
圖1是本發明實施例的柵格舵與側噴流復合姿態控制方法流程圖，圖1中，1為輸入的總體數據，包括彈道數據、氣動數據、彈性彈體數據以及發動機數據，2為輸入的氣動數據，3為氣動數據經過插值計算得到的動力系數，4為計算輸出的動力系數，5為建立的彈性彈體動力學模型(包括彈體傳遞函數、彈性振動傳遞函數模型)，6為設計的陷波濾波器，7為設計的校正網絡，5、6、7過程構成閉環控制網絡，8為柵格舵和側噴流控制策略設計，9為數學仿真結果輸出，進行數據判讀，10為進行判斷，如果數據正確，則設計過程結束，如果數據錯誤，則進行過程11，進行改進設計，直到仿真結果滿足指標要求。
上述步驟S 1中，柵格舵原始氣動數據由總體部門提供，本發明一個優選實施例中，對氣動數據采用四維差值，插值算法如下：
X＝[X1,X2,X3…Xm]；
Y＝[Y1,Y2,Y3…Yn]；
Z＝[Z1,Z2,Z3…Zk]；
W＝[W1,W2,W3…Wl]；
B＝reshape(A,m,n,k,l)；
其中，A為原始氣動導數，X、Y、Z、W為參與插值的變量，X、Y、Z、W通常從總攻角、馬赫數、舵偏角、攻角和側滑角中選取，m、n、k、l分別為變量X、Y、Z、W長度，根據氣動專業提供數據得到，A通過插值計算后即得到B。
上述步驟S2中，根據所述插值后氣動導數計算彈體動力系數，并分析得到彈體穩定性指標和操縱性指標。對俯仰、偏航、滾動三通道分別進行彈體動力系數計算。
其中，動力系數b2表征彈體的靜穩定性，它是火箭攻角變化一個單位時所引起的繞彈體Z軸轉動的角加速度的增量，b3表征舵效率系數，它是操縱面偏轉一單位增量時所引起的導彈角加速度的增量。通過對b2、b3的分析，可得到彈體穩定性和操縱性，彈體的操縱性滿足b3＞b2。
上述步驟S3中，用頻域分析法進行結構濾波器參數與校正網絡參數設計。濾波器網絡參數與校正網絡參數運用經典控制理論中的頻域分析法選取，根據俯仰通道的特性及偏航通道動力系數，使得柵格舵姿態控制系統滿足幅值域度大于6dB,相角域度大于45°。
在校正網絡設計時，需要將設計好的校正網絡參數代入柵格舵姿態仿真控制系統進行數學仿真驗證，在數學仿真中可查看姿態角、姿態角偏差、姿態角速率隨時間變化的曲線圖，總體部門對這三個變量的正常范圍提出了具體指標。
如果仿真結果顯示變量在指標范圍內，則說明設計是正確的；如果仿真結果顯示變量超出指標范圍內，則說明設計需要改進的，需要重新設計步驟S3中的網絡參數等，直到仿真結果滿足總體提的指標要求為止。
上述步驟S4中，在校正網絡設計、陷波濾波器設計的基礎上，根據控制效率對柵格舵與側噴流這兩種執行機構進行復合控制分配策略設計。主要包括時間分配與控制分配。
其中時間分配為：設柵格舵與側噴流復合姿態控制開始時間為0秒，將整個控制過程分為三段，第一段為側噴流控制(0～t1)，第二段為側噴流與柵格舵復合控制(t1～t2)，第三段為側噴流與側噴流復合控制(t2～t3)。控制分配為：將柵格舵系統與側噴流兩者作為一套執行機構，控制量分別進入柵格舵控制網絡與側噴流控制網絡，分別輸出控制力矩，共同完成姿態控制。
通過數學仿真試驗和半實物仿真試驗，可驗證姿態控制方法網絡參數設計的正確性，在仿真試驗中設置各種拉偏條件，可檢驗姿態控制系統的魯棒性以及穩定品質。
圖2為柵格舵與側噴流控制分配策略原理圖，在該原理圖中，參數的含義分別為：為標準程序角，為俯仰姿態角偏差，為姿態角。在運載火箭起飛初始段，速度低，空氣密度小，氣動力將對運載火箭產生重要影響。在初期階段柵格舵控制效率低，因此側噴流會在控制中起到主導作用，當空氣密度增加，柵格舵的控制能力逐漸增強，于是柵格舵逐漸放開權限，兩者一起對飛行器進行控制，逐漸過渡直至側噴流退出控制。
由側噴流和柵格舵的控制原理可知，一套是離散控制機構，另一套是連續控制機構，按照圖2設計的控制結構主要是對這個混合的控制系統進行設計。將柵格舵系統與側噴流兩者作為一套執行機構，控制量分別進入柵格舵控制網絡與側噴流控制網絡，分別輸出控制力矩，共同完成姿態控制。
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
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