一种无工质推力控制器频率匹配控制方法和系统与流程

本发明涉及一种基于相位-频率闭环和功率-频率闭环双闭环控制的无工质推力控制器频率匹配控制算法实现，属于航天推进设计领域。

背景技术：

无工质推进(或称无质损电磁推进)是近年来出现的一种新概念推进技术。该技术利用微波在特定结构谐振腔内的不均匀分布产生推力，具有无须携带燃料、长寿命、使用方便等优点，能大幅度提高航天器性能，且可基于此技术产生新概念航天器。

无工质推力控制器频率匹配控制及其实现是无工质推进的关键技术。微波功率进入推力器谐振腔后，因热效应推力器谐振腔中心频率漂移，导致微波系统与推力器谐振腔的频率不匹配，因此需解决微波系统的频率匹配问题。目前无质损电磁推进技术的频率匹配设计，一般采用功率-频率闭环控制算法的方案，只适用于推力器腔体品质因数较低(约10000级)的情况，难以满足高q腔体(高于1000000级)的闭环控制要求。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于相位-频率闭环和功率-频率闭环的双闭环控制的无工质推力控制器频率匹配控制方法和无质损电磁推进系统，将相位-频率闭环和功率-频率闭环双闭环控制算法应用在无工质推进设计领域，解决了目前该类系统设计只适用于推力器腔体品质因数较低(约10000级)的情况的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种基于相位-频率闭环和功率-频率闭环双闭环控制的无质损电磁推进系统，包括控制器、功率测量模块、相位测量模块、信号源、放大器、环形器、推力器；

相位测量模块测量推力器的入射功率和反射功率的相位差将相位差转化为电信号送控制器；

功率测量模块测量环形器的推力器反射功率，将测量的推力器反射功率转化为电信号送控制器；

控制器接收相位测量模块的相位测量信号、功率测量模块的功率测量信号，根据接收的测量信号和设定的控制逻辑，输出频率控制信号给信号源；

信号源根据控制器的输出频率、功率设定，输出相应频率、功率的信号至放大器；

放大器将信号源的功率放大为微波功率输出。

无工质推力控制器频率匹配控制方法，包括步骤如下：

步骤1、启动功率-频率闭环控制搜索推力器中心频点；

步骤2、相位测量模块在推力器中心频点下测量推力器的入射功率和反射功率的s12参数相位差

步骤3、以相位差为相位-频率闭环的控制目标，运行相位-频率闭环控制。

步骤1中，功率-频率闭环控制方法的具体步骤如下：

步骤1.1、给定控制器扫频频率范围w；给定控制器频率步进长度step，控制器按照以上给定控制信号源输出信号；

步骤1.2、在频率范围w内，信号源以step步进扫频；扫频过程中，功率测量模块测量推力器的反射功率pr，反射功率pr信号送控制器，控制器记录pr最小时对应的频率f1，该频率f1为当前中心频率和控制器起始频率；

步骤1.3、如果控制器找到中心频率f1，控制器控制信号源在[f1-3×step，f1+3×step]的频率范围，以step步进扫频左右扫频输出，每个频点输出时间20ms，在每个扫频周期记录pr最小时对应的频率f2，一个扫频周期结束时，控制器将f2的值赋给f1，进入下一个扫频周期。

步骤1.1中，步进长度step≤0.1*3db带宽。

步骤3中，相位-频率闭环控制方法的具体步骤如下：

步骤3.1、给定相位给定中心频点s12参数相位差给定频率步进长度step，给定控制器当前输出频率f0，控制器控制信号源输出信号；

步骤3.2、相位测量模块测量入射功率和推力器反射功率的相位差相位测量模块将检测到的相位差信号送控制器；

步骤3.3、控制器比较当小于控制阈值时，判断如果控制器给信号源输出控制指令使频率正向步进step；

如控制器给信号源输出控制指令使频率负向步进step；

步骤3.4、信号源输出频率步进完成后，相位测量模块测量入射功率和反射功率的相位差将检测到的相位差信号送控制器，控制器比较当相位差小于控制阈值时，认为控制方法已经实现控制目标，如不满足控制阈值，则返回步骤3.2，继续测量入射功率和反射功率的相位差

步骤3.1中，步进长度step≤0.1*3db带宽。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明通过引入相位-频率闭环、功率-频率的双闭环控制，使得无质损电磁推进能够实现频率匹配和稳定工作，而且能够满足高q推力器(品质因数高于1000000级别)和低q推力器(品质因数10000级)的频率稳定匹配，可以有效改进无质损电磁推进的工作性能，延长航天器使用寿命，并能够在此基础上产生新概念航天器。

附图说明

图1为相位-频率闭环控制方法流程图；

图2为功率-频率闭环控制方法流程图；

图3为功率-频率闭环和相位-频率闭环双闭环控制方法流程图；

图4为使用功率-频率闭环和相位-频率闭环双闭环控制算法的无工质推进系统组成图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

如图4所示，一种基于相位-频率闭环和功率-频率闭环双闭环控制的无质损电磁推进系统，包括控制器、功率测量模块、相位测量模块、信号源、放大器、环形器、推力器；

相位测量模块测量推力器的入射功率和反射功率的相位差将相位差转化为电信号送控制器；

功率测量模块测量环形器3口的推力器反射功率，将测量的推力器反射功率转化为电信号送控制器；

控制器接收相位测量模块的相位测量信号、功率测量模块的功率测量信号，根据接收的测量信号和设定的控制逻辑，输出频率控制信号给信号源；

信号源根据控制器的输出频率、功率设定，输出相应频率、功率的信号至放大器；

放大器将信号源的功率放大为微波功率输出；

如图3所示，相位测量模块、功率测量模块、控制器、信号源之间的数据关系见相位-频率闭环算法程序和功率-频率闭环控制方法程序。

一种无工质推力控制器频率匹配控制方法，包括步骤如下：

步骤1、启动功率-频率闭环搜索推力器中心频点；

功率-频率闭环算法如附图2，该算法通过扫频搜索反射功率最小值，认为反射功率的频率为推力器腔体中心频率。该算法通过检测推力器的反射功率，判断推力器的频率匹配，给出控制调节信号。

功率-频率闭环控制方法的具体步骤如下：

步骤1.1、给定控制器扫频频率范围w；给定控制器频率步进长度step(≤0.1*3db带宽)，控制器按照以上给定控制信号源输出信号；

步骤1.2、在频率范围w内，信号源以step步进扫频；扫频过程中，功率测量模块测量推力器的反射功率pr，反射功率pr信号送控制器，控制器记录pr最小时对应的频率f1，该频率f1为当前中心频率和控制器起始频率；

步骤1.3、如果控制器找到中心频率f1，控制器控制信号源在[f1-3×step，f1+3×step]的频率范围，以step步进扫频左右扫频输出，每个频点输出时间20ms，在每个扫频周期记录pr最小时对应的频率f2，一个扫频周期结束时，控制器将f2的值赋给f1，进入下一个扫频周期；

步骤2、相位测量模块在推力器中心频点下测量推力器的入射功率和反射功率的s12参数相位差

步骤3、以相位差为相位-频率闭环的控制目标，运行相位-频率闭环；

相位-频率闭环算法如附图1，该算法通过比较推力器输入端口和信号检测端口的传输相位特性，判断推力器的频率匹配，给出控制调节信号。

相位-频率闭环控制方法的具体步骤如下：

步骤3.1、给定相位给定中心频点s12参数相位差给定频率步进长度step(step≤0.1*3db带宽)，给定控制器当前输出频率f0，控制器控制信号源输出信号；

步骤3.2、相位测量模块测量入射功率和推力器反射功率的相位差相位测量模块将检测到的相位差信号送控制器；

步骤3.3、控制器比较当小于控制阈值时，判断如果控制器给信号源输出控制指令使频率正向步进step(提高信号源输出频率)；

如控制器给信号源输出控制指令使频率负向步进step(降低信号源输出频率)；

步骤3.4、信号源输出频率步进完成后，相位测量模块测量入射功率和反射功率的相位差将检测到的相位差信号送控制器，控制器比较当相位差小于控制阈值时，认为控制方法已经实现控制目标，如不满足控制阈值，则返回步骤3.2，继续测量入射功率和反射功率的相位差

功率-频率闭环控制可以单独使用。

实施例：

图1为相位-频率闭环算法，用于通过检测推力器的相位传输信号控制频率匹配稳定。表1为相位-频率闭环算法具体实施算例。给定相位给定中心频点s12参数相位差给定控制器频率步进长度step＝0.25mhz，以相位差为观测量，相位测量模块测量入射功率和推力器反射功率的相位差当信号源频率ω1与腔体中心频率ω0不匹配时，相位差偏离超出阈值范围，控制器发出指令，控制信号源频率ω1追赶腔体中心频率ω0，实现频率匹配。

表1相位-频率闭环算法具体实施例

图2为功率-频率闭环算法，用于通过检测推力器的反射功率信号控制频率匹配稳定。控制器与信号源、功率测量模块协同，控制器控制信号源在频率范围w范围内以step为步进扫频输出频率f0，功率测量模块测量环形器3口的推力器反射功率pr，控制器记录在频率范围w范围内pr最小时对应的频率f1，该频率f1为当前中心频率和控制器起始频率。如控制器找到中心频率f1，控制器控制信号源在[f1-3*step，f1+3*step]的频率范围，以step步进扫频左右扫频输出，每个频点输出时间20ms，在每个扫频周期记录pr最小时对应的频率f2，一个扫频周期结束时，控制器将f2的值赋给f1，进入下一个扫频周期。

表2为功率-频率闭环算法实施例

图3为功率-频率闭环和相位-频率闭环双闭环控制算法，相位-频率闭环控制算法和功率-频率闭环控制算法配合使用，相位-频率闭环使用前，需首先使用功率-频率闭环，找到推力器腔体的中心频点，然后相位测量模块在该频率测量推力器的入射功率和反射功率的相位差以相位差为相位-频率闭环的控制目标。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知技术。