一种基于脉冲宽度调节的反作用推力器调制方法、装置与流程

本发明涉及反作用推力器调制方法，特别涉及一种基于脉冲宽度调节的反作用推力器脉冲宽度调制方法、装置。

背景技术：

卫星、飞船和可重复使用运载器普遍使用反作用推力器(Reaction Control System,RCS)来进行姿态调节。由于RCS具有离散的工作特点，只能工作在全开或关闭状态，无法产生连续的控制力矩。因此在实际使用时，需采用调制方法，以使RCS产生等效的连续力矩。

目前工程上普遍使用的RCS调制方法为施密特触发器方式，当姿态控制误差超出控制门限时，RCS开启，当姿态控制误差低于控制门限时RCS关闭。这种方式虽然容易实现，但由于施密特触发器本身是一种非线性环节，因此无法利用成熟的线性控制方法进行分析和设计，必须利用非线性工具，如描述函数法或相平面法；另外，施密特触发器基于的控制原理为bang-bang控制，对RCS流量需求较高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，简化RCS控制器的设计，同时降低RCS流量消耗，实现脉冲宽度调节的反作用推力器调制。

解决上述技术问题，本发明提供了一种基于脉冲宽度调节的反作用推力器调制方法，包括如下步骤：

开启RCS反作用推力器，将连续力矩调制成所述RCS的控制指令，用以在有效采样周期内产生和所述连续力矩具有等价性的离散力矩。

更进一步，所述有效采样周期是指：线性连续域内。

更进一步，所述控制指令为开关指令。

更进一步，采用占空比作为所述RCS控制指令。

更进一步，所述占空比表示所述RCS开启时间与采样周期之间的比值，取值范围为[0 1]。

更进一步，所述连续力矩M_c＝M_rcs·DR，M_rcs为喷管力矩。

更进一步，所述有效采样周期其中ω_h为控制系统中最高频率分量。

更进一步，所述有效采样周期ω_c为RCS姿态控制系统中姿态控制器截止频率。

更进一步，所述RCS采用离散或者开关型的工作模式。

本发明还提供了一种基于脉冲宽度调节的反作用推力器调制装置，包括姿态控制器和PWM调制器，

所述姿态控制器，用以根据姿态误差在RCS反作用推力器中输出连续力矩；

所述PWM调制器，用以将所述连续力矩调制成所述RCS的控制指令，用以在有效采样周期内产生和所述连续力矩具有等价性的离散力矩。

本发明的有益效果：

1)本发明中的一种基于脉冲宽度调节(Pulse-Width Modulation,PWM)的RCS调制方法；采用PWM调制方法，可将RCS姿态控制的设计解耦成两个相互独立的设计环节：姿态控制器设计和PWM调制器设计。姿态控制器在连续域内进行设计，假定RCS输出连续力矩，可利用成熟的线性系统设计理论；PWM调制器将姿态控制器输出的连续力矩调制成RCS的开关指令，产生和连续力矩具有等价性的离散力矩。

2)采用PWM调制方法使得RCS姿态控制器的分析和设计能够利用成熟的线性系统控制理论，降低了设计难度。同时，由于能够使用线性控制方法进行优化设计，因此，能够尽可能降低RCS姿态控制器对流量的需求。

附图说明

图1是RCS姿态控制原理示意图。

图2是PWM的调制原理示意图。

图3是连续力矩与占空比映射关系图。

图4(a)—图4(b)是PWM的调制等效性示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是RCS姿态控制原理示意图。

图中表示为完整的RCS姿态控制原理，由姿态控制器和PWM调制器组成。在设计姿态控制器时，假定执行机构输出连续力矩，则可利用常规的线性系统设计方法进行控制律的设计和分析。

图2是PWM的调制原理示意图。

本实施例中的一种基于脉冲宽度调节的反作用推力器调制方法，包括如下步骤：开启RCS反作用推力器，将连续力矩调制成所述RCS的控制指令，用以在有效采样周期内产生和所述连续力矩具有等价性的离散力矩。

作为本实施例中的优选，所述有效采样周期是指：线性连续域内。

作为本实施例中的优选，所述控制指令为开关指令。

作为本实施例中的优选，采用占空比作为所述RCS控制指令。

作为本实施例中的优选，所述占空比表示所述RCS开启时间与采样周期之间的比值，取值范围为[0 1]。

作为本实施例中的优选，所述连续力矩M_c＝M_rcs·DR，M_rcs为喷管力矩。

作为本实施例中的优选，所述有效采样周期其中ω_h为控制系统中最高频率分量。

作为本实施例中的优选，所述有效采样周期ω_c为RCS姿态控制系统中姿态控制器截止频率。

作为本实施例中的优选，所述RCS采用离散或者开关型的工作模式。

本实施例中的一种基于脉冲宽度调节(Pulse-Width Modulation,PWM)的RCS调制方法；采用PWM调制方法，可将RCS姿态控制的设计解耦成两个相互独立的设计环节：姿态控制器设计和PWM调制器设计。姿态控制器在连续域内进行设计，假定RCS输出连续力矩，可利用成熟的线性系统设计理论；PWM调制器将姿态控制器输出的连续力矩调制成RCS的开关指令，产生和连续力矩具有等价性的离散力矩。

本发明还公开了一种基于脉冲宽度调节的反作用推力器调制装置，包括：姿态控制器和PWM调制器，所述姿态控制器，用以根据姿态误差在RCS反作用推力器中输出连续力矩；所述PWM调制器，用以将所述连续力矩调制成所述RCS的控制指令，用以在有效采样周期内产生和所述连续力矩具有等价性的离散力矩。

本实施例中通过将RCS姿态控制的设计过程解耦成两个相互独立的设计环节：姿态控制器设计和PWM调制器设计。姿态控制器设计在连续域内进行，假定RCS输出连续力矩，并可利用成熟的线性系统理论；PWM调制器将姿态控制器输出的连续力矩调制成RCS的开关指令，以产生和连续力矩具有等价性的离散力矩。PWM调制方法使得RCS姿态控制器的分析和设计能够利用成熟的线性系统控制理论，降低了设计难度。同时，由于能够使用线性控制方法进行优化设计，因此，能够尽可能降低RCS姿态控制器对流量的需求。

本发明的原理：

姿态控制律设计是以RCS输出连续力矩为前提，而实际上RCS只能采用离散、开关型的工作模式。PWM调制实际上实现了连续力矩和离散力矩的“桥接”，通过控制RCS的开关，使RCS产生与连续力矩等效的离散力矩。

为了满足姿态控制器的“连续力矩”假设，PWM调制器需满足以下两个条件：

1)等效性：RCS产生的离散力矩和连续力矩必须具有等效性，即“冲量等效”；

2)实效性：RCS必须能够在控制器允许的时间内产生等效的力矩，以满足控制需求。

为了PWM调制器的“等效性”和“时效性”要求，本发明公开了PWM调制器的设计方法，包括其调制原理和采样周期的选择。其调制原理使得离散力矩和连续力矩具有“等效性”，选择合适的采样周期，使得离散力矩具有“时效性”。

1、PWM调制原理

PWM调制的核心思想是冲量等效原理，如式(1)。

M_rcs·t_on＝M_c·T (1)

其中M_rcs为喷管力矩，M_c为连续力矩，T为采样周期，t_on为RCS开启时间。式(1)可以描述为：RCS通过t_on时间段的开启，来等效一个采样周期T时间内的连续力矩M_c需求。

为了实现连续力矩与RCS控制指令的线性映射。引入占空比的概念，如式(2)。

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

占空比DR为RCS开启时间与采样周期之间的比值，取值范围为[0 1]。则喷管力矩M_rcs，连续力矩M_c和占空比DR之间具有式(3)所示关系。

M_c＝M_rcs·DR (3)

由式(3)可知，连续力矩与占空比之间为线性关系，如图3所示，是连续力矩与占空比映射关系图。

可见采用占空DR比作为RCS控制指令，能够使连续力矩和RCS离散力矩之间满足“等效性”。如图4(a)—图4(b)所述是PWM的调制等效性示意图PWM调制等效性示意图。

2、采样周期选择

根据冲量等效原理，引入占空比作为作为RCS控制指令，使连续力矩与RCS离散力矩之间具备了“等效性”，但是PWM调制还必须满足控制系统的“时效性”要求。实效性体现为RCS输出一次等效力矩的时间间隔，即采样周期。

采样周期是与控制系统的带宽密切相关的，控制系统带宽越大，采样周期则需要越小。香农采样定理规定了采样频率之间的关系，如式(4)。

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

其中ω_h控制系统中最高频率分量。由于实际控制系统并不满足有限带宽条件，工程中一般取ω_h＝5ω_c来进行近似。则系统采样频率与控制系统截止频率ω_c之间的关系为：

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

对于RCS姿态控制系统，ω_c为姿态控制器截止频率。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上，所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。