基于最优控制的航天器断续姿控系统设计方法

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1、2017年第4期导弹与航天运载技术No.42017总第354期MISSILESANDSPACEVEHICLESSumNo.354文章编号：1004-7182(2017)04-0063-05DOI：10.7654/j.issn.1004-7182.20170415基于最优控制的航天器断续姿控系统设计方法王勇，李延军，张亮，陈阳，檀朋硕（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）摘要：传统基于姿控喷管的断续姿控系统多采用经典的斜线开关线设计非线性控制律，系统设计时往往难以同时满足姿控精度、推进剂消

2、耗、喷管开关次数等要求和约束。为进一步优化系统设计，实现各性能指标闭合，提出了基于最优控制的断续姿控系统二次型开关线控制方法，并推导得到了系统姿控精度模型。通过仿真试验对比了传统斜线开关和二次型开关控制的性能。仿真结果表明，两种方法下系统姿控精度计算模型正确，性能指标各有优劣，姿控系统设计时可依据系统约束综合考虑选取不同方案。关键词：非线性控制；最优控制；斜线开关；二次型开关中图分类号：V448.22文献标识码：AAnOptimalControlMethodforDiscontinuousAtt

3、itudeControlSystemofSpacecraftWangYong,LiYan-jun,ZhangLiang,ChenYang,TanPeng-shuo(BeijingInstituteofAstronauticalSystemEngineering,Beijing,100076)Abstract:Slantwiseon-offswitchinglineisordinarilyusedfordiscontinuousattitudecontrolsystemofspacecraft,w

4、hileitisnoteasytosatisfytherequirementofaccuracy,attitudecontrolspeed,propellantconsumptionandnozzleon-offtimeatthesametime.Inordertooptimizesystemdesignandoffermorechoice,linearquadraticcontrolmethodisderivatebasedonoptimalcontroltheory,andtheattitu

5、decontrolaccuracyisdeduced.Attitudestabilizationprocessissimulatedusingbothmethods.Simulationresultsshowthattheaccuracymodelisaccurate;bothmethodshaveitsadvantageanddisadvantage,thusprovidemorechoicefordiscontinuousattitudecontrolsystemdesign.Keyword

6、s:Nonlinearcontrol;Optimalcontrol;Slantwiseon-offswitchingline;Linearquadraticcontrol0引言约束存在差异，姿控系统设计时存在进一步优化的空为节省推进剂，在航天器弹道设计时，往往增加间。随着控制技术的发展，最优控制等现代控制方法[3~6]一、二次无动力或小动力飞行段，即滑行段。此外，逐渐应用于航天器控制系统设计中，为航天器断续航天器在主动段飞行结束后，往往增加末助推级，以姿控系统设计提供了更多选择。满足末速修正、载

7、荷释放调姿等需要。在滑行段和末本文以三通道解耦后单通道姿控系统设计为例，修级飞行段，由于航天器只受到较小的干扰作用，综提出了基于最优控制的断续姿控系统二次型开关控制合系统复杂度、质量和能源等方面考虑，往往采用基方法，并推导得到了系统姿控精度模型。开展了两种[1]于姿控喷管的断续姿控方案。控制方法下的仿真试验，试验结果表明，两种方案下传统断续姿控系统设计时，往往采用经典的斜线系统姿控精度计算模型正确，性能指标各有优劣，系开关线设计非线性控制律。该方法较为成熟，但系统统设计时可依据不同飞行阶段性能指

8、标要求等综合考设计时往往难以同时满足姿控精度、推进剂消耗、喷虑选取不同方案。[2]管开关次数等要求和约束。实际上，航天器飞行不同阶段时，姿控精度、调姿速度、推进剂消耗等要求和1航天器姿态控制系统模型假定航天器三通道已实现解耦控制，以俯仰通道收稿日期：2016-10-22；修回日期：2017-01-19作者简介：王勇（1987-），男，工程师，主要研究方向为飞行控制64导弹与航天运载技术2017年为例，姿态控制系统原理如图1所示。其中，弹上计式中i为控制量，由姿控系统设计确定；di为控制dt算机依