结合连续控制和相平面法的RLV反推力器控制方法及系统技术方案

结合连续控制和相平面法的RLV反推力器控制方法及系统，建立了侧滑角的黄金分割自适应控制器，利用相平面法将连续控制量转化为开关控制量，进而通过所述开关控制量生成RLV反推力器开关控制指令，对RLV的反推力器进行控制。本发明专利技术实现了RLV姿态子系统反推力控制器开关量的解算，兼顾闭环系统稳定性和动态性能，能够有效提高RCS控制下RLV对环境和任务的适应能力。

【技术实现步骤摘要】
结合连续控制和相平面法的RLV反推力器控制方法及系统
本专利技术涉及一种结合连续控制和相平面法的RLV反推力器控制方法及系统，属于可重复使用运载器的GNC控制

技术介绍
可重复使用运载器(RLV)在70km以上的高空，由于大气密度较小，舵面控制效率微弱，需要借助反推力器(RCS)实现姿态控制。RCS的控制指令是开关控制量，通常工程上采用的是单纯相平面的控制方法。在RLV返回再入过程中，系统的动态性能难以满足任务要求。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种结合连续控制和相平面法的RLV反推力器控制方法及系统，实现了RLV姿态子系统反推力控制器开关量的解算，兼顾闭环系统稳定性和动态性能，能够有效提高RCS控制下RLV对环境和任务的适应能力。本专利技术的技术解决方案是：结合连续控制和相平面法的RLV反推力器控制方法，步骤如下：(1)建立侧滑角的黄金分割自适应控制器u(k)，(2)利用相平面法将连续控制量转化为开关控制量，进而通过所述开关控制量生成RLV反推力器开关控制指令，对RLV的反推力器进行控制。所述连续控制量是指侧滑角的黄金分割自适应控制器u(k)。所述RLV是指可重复使用运载器。所述RLV上设置有四个反推力器RCS1、RCS2、RCS3和RCS4，均位于RLV的尾部，且依次设置在机尾坐标系的第一象限、第四象限、第三象限和第二象限内。所述机尾坐标系是指：从机身后侧沿机轴向前的方向，坐标系的原点为机轴和机尾平面的交点，水平向右为X轴，垂直向上为Y轴，X轴正向和Y轴正向之间为第一象限，其中设置的反推力器为RCS1，其余反推力器按照顺时针依次编号为RCS2、RCS3、RCS4，分别设置在第四象限、第三象限和第二象限内；第四象限是指X轴正向和Y轴负向之间；第三象限是指X轴负向和Y轴负向之间；第二象限是指X轴负向和Y轴正向之间。RCS1的喷流方向与Y轴正向之间夹角小于90度且与X轴正向之间夹角大于90度；RCS2的喷流方向与Y轴正向之间夹角大于90度且与X轴正向之间夹角大于90度；RCS3的喷流方向与Y轴正向之间夹角大于90度且与X轴正向之间夹角小于90度；RCS4的喷流方向与Y轴正向之间夹角小于90度且与X轴正向之间夹角小于90度。侧滑角的黄金分割自适应控制器u(k)，具体为：其中，y(k)为第k时刻的侧滑角值，l1＝0.382,l2＝0.618,待辨识参数为特征参量。通过改进最小二乘法实现辨识：其中，η(k-1)＝[y(k-1)y(k-2)u(k-1)]T；β0min为辨识参数的下界，P为3×3矩阵，P3表示矩阵的第3列，P3×3表示矩阵的第3行第3列。利用相平面法将连续控制量转化为开关控制量，进而通过所述开关控制量生成RLV反推力器控制指令，具体为：根据所述连续控制量u(k)，对相平面进行分区，相平面的横轴为u(k)，纵轴为du(k)＝u(k)-u(k-1)；设定阈值ε1,ε2，满足0<ε1<ε2，反推力器的开关控制指令按照如下方式确定：当u(k)>ε1且du(k)>0时，生成RCS1和RCS2的开关控制指令，令RCS1和RCS2工作；当u(k)>ε2且du(k)<0时，生成RCS1和RCS2的开关控制指令，令RCS1和RCS2工作；当u(k)<-ε1且du(k)<0时，生成RCS3和RCS4的开关控制指令，令RCS3和RCS4工作当u(k)<-ε2且du(k)>0时，生成RCS3和RCS4的开关控制指令，令RCS3和RCS4工作。一种结合连续控制和相平面法的RLV反推力器控制系统，包括：自适应控制器建立模块：用于建立侧滑角的黄金分割自适应控制器u(k)；阈值设置模块：用于设置生成反推力器开关控制指令的比较阈值；开关控制量转换模块：用于根据所述比较阈值，利用相平面法将连续控制量转化为开关控制量；反推力器控制模块：用于通过所述开关控制量生成RLV反推力器开关控制指令，对RLV的反推力器进行控制。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：本专利技术所提出的RCS控制方法，与目前常用的单纯相平面设计方法相比，引入了自适应控制器设计环节。利用相平面对自适应控制器计算得到的连续变量进行RCS开关控制量的设计，而不是直接针对对象的输出进行设计。因此，得到的新方法对环境和任务具有更强的适应性，同时能够兼顾系统的动态性能。附图说明图1为本专利技术流程图；图2为本专利技术对应的RLV反推力器布局；图3为本专利技术所提出的侧滑角相平面划分示意图；图4为本专利技术控制方案下侧滑角的跟踪曲线，其中图4(a)为ε1＝0.3,ε2＝2时曲线，图4(b)为ε1＝0.1,ε2＝1时曲线；图5为本专利技术控制方案下RCS开关曲线；其中图5(a)为ε1＝0.3,ε2＝2时曲线，图5(b)为ε1＝0.1,ε2＝1时曲线；图6为单纯相平面法下侧滑角的跟踪曲线；其中图6(a)为ε1＝0.01,ε2＝0.1时曲线，图6(b)为ε1＝0.05,ε2＝0.5时曲线；图7为单纯相平面法下RCS开关曲线；其中图7(a)为ε1＝0.01,ε2＝0.1时曲线，图7(b)为ε1＝0.05,ε2＝0.5时曲线.具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行进一步的详细描述。如图1所示，本专利技术针对RLV再入过程RCS控制问题，提出了一种将黄金分割自适应控制与相平面法相结合的RCS控制方法，具体的解决方法如下：1、进行黄金分割自适应控制器设计。RLV再入过程中，当大气稀薄舵效不足时，需要依靠RCS进行直接力控制。在RCS个数不充分情况下，即RLV的控制输入存在耦合时，可以先针对攻角、侧滑角和滚动角分别设计控制器，再利用传统的查表法或伪逆法实现控制输入的解耦。因此，本专利技术以侧滑角为例，详细描述基于黄金分割自适应控制器的RCS控制方法，这一设计方法同样适用于滚动角和攻角的控制。假设执行机构能够提供连续控制量，对RLV的侧滑角设计黄金分割自适应控制器，具有如下一般形式：其中y(k)为第k时刻的侧滑角值，l1＝0.382,l2＝0.618,记通过如下改进最小二乘法实现辨识：η(k-1)＝[y(k-1)y(k-2)u(k-1)]T其中β0min为辨识参数的下界。P为3×3矩阵，P3表示矩阵的第3列，P3×3表示矩阵的第3行第3列。2、利用相平面法将连续控制量转化为开关控制量。考虑一类大升力体RLV的典型RCS分布结构，如图2所示。为便于描述，定义机尾坐标系：从机身后侧沿机轴向前的方向，坐标系的原点为机轴和机尾平面的交点，水平向右为X轴，垂直向上为Y轴，X轴正向和Y轴正向之间为第一象限，X轴正向和Y轴负向之间为第四象限，X轴负向和Y轴负向之间为第三象限，X轴负向和Y轴正向之间为第二象限。RCS1、RCS2、RCS3、RCS4按照顺时针依次编号，分别位于第一象限、第四象限、第三象限、第二象限。4个RCS的喷流方向如下：RCS1的喷流方向与Y轴正向之间夹角小于90度且与X轴正向之间夹角大于90度；RCS2的喷流方向与Y轴正向之间夹角大于90度且与X轴正向之间夹角大于90度；RCS3的喷流方向与Y轴正向之间夹角大于90度且与X轴正向本文档来自技高网...

【技术保护点】
结合连续控制和相平面法的RLV反推力器控制方法，其特征在于步骤如下：(1)建立侧滑角的黄金分割自适应控制器u(k)，(2)利用相平面法将连续控制量转化为开关控制量，进而通过所述开关控制量生成RLV反推力器开关控制指令，对RLV的反推力器进行控制。

【技术特征摘要】
1.结合连续控制和相平面法的RLV反推力器控制方法，其特征在于步骤如下：(1)建立侧滑角的黄金分割自适应控制器u(k)，(2)利用相平面法将连续控制量转化为开关控制量，进而通过所述开关控制量生成RLV反推力器开关控制指令，对RLV的反推力器进行控制。2.根据权利要求1所述的结合连续控制和相平面法的RLV反推力器控制方法，其特征在于：所述连续控制量是指侧滑角的黄金分割自适应控制器u(k)。3.根据权利要求1所述的结合连续控制和相平面法的RLV反推力器控制方法，其特征在于：所述RLV是指可重复使用运载器。4.根据权利要求3所述的结合连续控制和相平面法的RLV反推力器控制方法，其特征在于：所述RLV上设置有四个反推力器RCS1、RCS2、RCS3和RCS4，均位于RLV的尾部，且依次设置在机尾坐标系的第一象限、第四象限、第三象限和第二象限内。5.根据权利要求4所述的结合连续控制和相平面法的RLV反推力器控制方法，其特征在于：所述机尾坐标系是指：从机身后侧沿机轴向前的方向，坐标系的原点为机轴和机尾平面的交点，水平向右为X轴，垂直向上为Y轴，X轴正向和Y轴正向之间为第一象限，其中设置的反推力器为RCS1，其余反推力器按照顺时针依次编号为RCS2、RCS3、RCS4，分别设置在第四象限、第三象限和第二象限内；第四象限是指X轴正向和Y轴负向之间；第三象限是指X轴负向和Y轴负向之间；第二象限是指X轴负向和Y轴正向之间。6.根据权利要求5所述的结合连续控制和相平面法的RLV反推力器控制方法，其特征在于：RCS1的喷流方向与Y轴正向之间夹角小于90度且与X轴正向之间夹角大于90度；RCS2的喷流方向与Y轴正向之间夹角大于90度且与X轴正向之间夹角大于90度；RCS3的喷流方向与Y轴正向之间夹角大于90度且与X轴正向之间夹角小于90度；RCS4的喷流方向与Y轴正向之间夹角小于90度且与X轴正向之间夹角小于90度。7.根据权利要求4所述的结合连续控制和相平面法的RLV反推力器控制方法，其特征在于：侧滑角的黄金分割自适应控制器u(k)，具体为：

【专利技术属性】
技术研发人员：黄煌，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11