×型配置执行机构故障情况下飞行器控制作用重分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及X型配置执行机构故障情况下飞行器控制作用重分配方法，属于航 天飞行器可重构控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着航天技术的发展和任务的多样化，航天飞行器的发射密度增大、任务需求复 杂化，对飞行器安全可靠完成飞行任务的要求也越来越高。由于航天飞行器制造、发射成本 高，确保每次可靠飞行尤为重要。目前常采用的措施之一是加强研制、发射过程的质量控 制，提高飞行可靠性；另一项措施是冗余配置控制系统设备，在某设备发生故障时，利用备 份设备替换。后一项措施的实施不仅增加研制成本，而且往往受到飞行器空间和重量等的 限制而较难实施。因此在航天飞行器飞行过程中发生非致命性故障时，若能通过对控制系 统能力进行充分挖潜，实现飞行器控制能力在飞行器发生非致命性故障时的合理配置，完 成对飞行器的有效控制，对提升航天飞行器的可靠性有重要意义。
【发明内容】
[0003] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种X型配置执行机构故 障情况下飞行器控制作用重分配方法，该方法针对" X "字型配置的执行机构在发生非致命 性故障时，对控制系统能力进行充分挖潜，对在非故障情况下计算出的控制系统执行机构 摆角要求进行重新计算分配，实现飞行器控制能力在执行机构发生非致命性故障时的合理 配置，完成对飞行器的有效控制。
[0004] 本发明的技术解决方案是：χ型配置执行机构故障情况下飞行器控制作用重分 配方法，步骤如下：
[0005] (1)根据实时采集的飞行器的X字型配置的执行机构的状态信息，对X字型配置 的执行机构的故障进行定位和判定，确定发生故障的执行机构和故障类型，所述飞行器具 有四个执行机构，这四个执行机构按X型安装配置，即四个执行机构分别分布在四个象限 的45°角上；
[0006] (2)根据步骤（1)中确定的发生故障的执行机构和故障类型，确定发生故障的执 行机构能够摆动的角度；
[0007] (3)按照飞行器中的控制规律，计算出在非故障情况下X型配置的四个执行机构 的期望摆角S ld、δ 2d、δ 3d和δ 4d;
[0008] (4)根据步骤（2)确定的发生故障的执行机构能够摆动的角度，计算出发生故障 的执行机构实际摆动的角度，再计算出该发生故障的执行机构实际摆角与步骤（3)的期望 摆角的偏差；
[0009] (5)根据步骤（4)得到的该发生故障的执行机构实际摆角与步骤（3)的期望摆角 的偏差，计算未发生故障的其它三个执行机构的实际摆角，即未发生故障的其它三个执行 机构中，与发生故障的执行机构相邻的两个执行机构的实际摆角分别为两个执行机构的期 望摆角加上步骤（4)中该发生故障的执行机构实际摆角与步骤（3)的期望摆角的偏差，另 外一个与发生故障的执行机构相对的执行机构的实际摆角为该执行机构的期望摆角减去 步骤（4)中该发生故障的执行机构实际摆角与步骤（3)的期望摆角的偏差；
[0010] (6)执行机构按照步骤（4)和步骤（5)重新计算分配的四个执行机构的实际摆角 进行摆动，完成对飞行器的有效控制。
[0011] 本发明与现有技术相比有益效果为：
[0012] (1)本发明针对X型配置的执行机构在发生非致命性故障时，对控制系统能力进 行充分挖潜，对在非故障情况下计算出的控制系统执行机构摆角要求进行重新计算分配， 实现飞行器控制能力在执行机构发生非致命性故障时的合理配置，完成对飞行器的有效控 制。本发明提出的方法可以提升航天飞行器抗发动机停摆、控制舵面卡死等执行机构故障 的能力，因此对飞行器研制和航天飞行器高可靠完成飞行任务有重要意义，在航天飞行器 研制中有广阔的应用前景。
[0013] (2)本发明在不新增设备的情况下，实现飞行器控制能力在执行机构发生非致命 性故障时的合理配置，完成对飞行器的有效控制，从而提升航天飞行器可靠完成任务的能 力。
[0014] (3)本发明中控制作用重新计算分配过程只在非故障情况下得到的期望摆角基础 上，通过简单的加减运算就可求得伺服机构的实际摆动角度，计算量小，不会明显增加飞行 器计算机的计算负担，可以保证飞行器控制过程的实时性，有较好的实用性。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明X型配置执行机构后视示意图；
[0016] 图2为本发明流程图；
[0017] 图3为执行机构无故障发生时，飞行器飞行过程中俯仰姿态角的偏差曲线；
[0018] 图4为执行机构发生非致命性故障，没有采用本发明控制作用重分配方法时，飞 行器飞行过程中俯仰姿态角的偏差曲线；
[0019] 图5为执行机构发生非致命性故障，采用本发明控制作用重分配方法时，飞行器 飞行过程中俯仰姿态角的偏差曲线。
【具体实施方式】
[0020] 针对X型配置执行机构发生非致命性故障的情况，即，航天飞行器在当前飞行过 程中控制系统具有四个执行机构，这四个执行机构按X型安装配置，如图1所示，当四个执 行机构中只有一个发生卡死或摆动角度变小的故障，且通过其它三个非故障执行机构的合 理摆动补偿，控制系统具有对飞行器实施有效控制的能力。在这种情况下，首先计算出在非 故障情况下的控制系统执行机构期望摆角大小要求，然后按照X型执行机构配置情况，依 据故障定位和判定结果，对控制系统执行机构摆角大小进行重新计算分配，完成对飞行器 的有效控制。X型配置执行机构故障情况下飞行器控制作用重分配方法，如图2所示，步骤 如下：
[0021] (1)根据实时采集的飞行器的X字型配置的执行机构的状态信息，对X字型配置 的执行机构的故障进行定位和判定，确定发生故障的执行机构和故障类型，所述飞行器具 有四个执行机构，这四个执行机构按X型安装配置，即四个执行机构分别分布在四个象限 的45°角上；
[0022] 该步骤中的对执行机构故障进行定位和判定，确定发生故障的执行机构和故障类 型，是指确定出是哪个执行机构发生了卡死或摆动角度变小的故障。这可通过为每个执行 机构安装摆动角度测量传感器，并分析实时采集的每个执行机构摆角数据与期望摆动角度 值的差异完成对执行机构故障进行定位和判定。
[0023] (2)根据步骤（1)中确定的发生故障的执行机构和故障类型，确定发生故障的执 行机构能够摆动的角度；
[0024] 该步骤中的确定发生故障的执行机构能够摆动的角度，是指在执行机构被确定为 发生了卡死或摆动角度变小的故障情况下，确定出该执行机构被卡死在哪个角度位置，或 者确定出该执行机构在摆动角度变小故障下还能摆动多大的角度。这可通过实时采集的每 个执行机构状态信息数据分析解算得到。
[0025] (3)按照飞行器中的控制规律，计算出在非故障情况下X型配置的四个执行机构 的期望摆角S ld、δ 2d、δ 3d和δ 4d;
[0026] 该步骤中首先按照飞行器中的控制规律得到俯仰、偏航和滚动三个通道的等效摆 角4、、和δ γ;然后按照"X"字型执行机构布局，分解求得在非故障情况下四个执行 机构的期望摆角sid、δΜ、δΜ和δ 4d。计算过程如下：
【主权项】
I. X型配置执行机构故障情况下飞行器控制作用重分配方法，其特征在于步骤如下： (1) 根据实时采集的飞行器的X字型配置的执行机构的状态信息，对X字型配置的 执行机构的故障进行定位和判定，确定发生故障的执行机构和故障类型，所述飞行器具有 四个执行机构，这四个执行机构按X型安装配置，即四个执行机构分别分布在四个象限的 45°角上； (2) 根据步骤（1)中确定的发生故障的执行机构和故障类型，确定发生故障的执行机 构能够摆动的角度； (3) 按照飞行器中的控制规律，计算出在非故障情况下X型配置的四个执行机构的期 望摆角 3 ld、8 2d、5 3(1和 8 4d; (4) 根据步骤（2)确定的发生故障的执行机构能够摆动的角度，计算出发生故障的执 行机构实际摆动的角度，再计算出该发生故障的执行机构实际摆角与步骤（3)的期望摆角 的偏差； (5) 根据步骤（4)得到的该发生故障的执行机构实际摆角与步骤（3)的期望摆角的偏 差，计算未发生故障的其它三个执行机构的实际摆角，即未发生故障的其它三个执行机构 中，与发生故障的执行机构相邻的两个执行机构的实际摆角分别为两个执行机构的期望摆 角加上步骤（4)中该发生故障的执行机构实际摆角与步骤（3)的期望摆角的偏差，另外一 个与发生故障的执行机构相对的执行机构的实际摆角为该执行机构的期望摆角减去步骤 (4)中该发生故障的执行机构实际摆角与步骤（3)的期望摆角的偏差； (6) 执行机构按照步骤（4)和步骤（5)重新计算分配的四个执行机构的实际摆角进行 摆动，完成对飞行器的有效控制。
【专利摘要】×型配置执行机构故障情况下飞行器控制作用重分配方法，步骤如下：(1)对执行机构故障进行定位和判定；(2)确定发生故障的执行机构能够摆动的角度；(3)计算出在非故障情况下×型配置的四个执行机构的期望摆角；(4)计算出发生故障的执行机构实际摆动的角度及与步骤(3)的期望摆角的偏差；(5)计算未发生故障的其它三个执行机构的实际摆角；(6)执行机构按照重新计算分配的四个执行机构的实际摆角进行摆动，完成对飞行器的有效控制。本发明提出的方法在不新增设备的情况下，实现飞行器控制能力在执行机构发生非致命性故障时的合理配置，完成对飞行器的有效控制，对飞行器研制和航天飞行器高可靠完成飞行任务有重要意义。
【IPC分类】B64C19-00
【公开号】CN104743100
【申请号】CN201510095004
【发明人】朱文彪, 李冬, 闵勇, 陈宜成
【申请人】北京航天自动控制研究所, 中国运载火箭技术研究院
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年3月3日