气动舵面∕RCS复合控制系统构型设计与仿真

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaDec．252016V01．37No．S1S106．S111ISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn气动舵面／RCS复合控制系统构型设计与仿真鹿存侃*，胡永太西安飞行自动控制研究所飞控部，西安710068摘要：针对空天飞行器再入段异构执行机构复合控制问题，基于气动舵面和反作用推力器的特性，提出了适用于空天飞行器的3种气动舵面与反作用控制系统的复合控制构型：指令型、力矩型、指令误差型，以及相应的控制律设计方法，在此基

2、础上完成空天飞行器再入段的控制系统设计。仿真结果表明，3种构型的复合控制系统均能满足指令跟踪性能要求，其中指令型复合控制系统气动舵工作最为平稳，推力器开启频次最少。从工程应用的角度出发，指令型复合控制系统的综合性能最为理想。关键词：空天飞行器；复合控制；控制分配；反作用控制系统；控制构型中图分类号：V249．1文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)s1一$106—06空天飞行器无动力再人返回初期由于空气稀薄且动压较低，须采用反作用力控制系统(Reac—tionControlSystem，RCS)来获褥操纵力矩以补偿气动舵面操纵失效或者部分失效引起的控制力矩不

3、足，从而实现姿态控制和轨迹跟踪。随着飞行高度降低、动压增加，气动舵面将逐步参与操纵直至RCS退出控制[1]。RCS采用质量排出型推力器，利用喷流的反作用力产生控制力矩。RCS的工作原理决定了其力矩输出具有离散性和非线性的特性。如何实现脉冲型RCS和连续型气动舵面两种异构执行机构协同工作是空天飞行器控制系统设计需要解决的关键问题[2‘3]。针对异构执行机构复合控制问题，多采用控制器与控制分配独立设计的思想，通过指令分配策略实现执行机构的组合形式以及控制权限的动态变化[4。]。文献[8]则设计了基于参考模型的模糊自适应控制分配策略，使得复合执行机构等效动态特性与参考模型一致。文

4、献[9—10]基于线性规划理论进行控制力矩实施分配，但算法复杂，工程应用难度较大。针对空天飞行器初期再人制导控制特点以及控制执行机构的特性，提出了3种气动舵面／RCS复合控制系统构型，完成每种构型控制器以及控制分配算法的设计，并通过仿真计算对不同控制系统构型的控制能力和效果进行了比较分析。1复合控制系统分析执行机构控制权限分配主要取决于复合控制系统构型选择以及分配逻辑设计。复合控制系统构型确定了两种执行机构控制权限分配的方式，按照分配量不同可将复合控制系统构型分为3种形式：指令型、力矩型、指令误差型。1．1指令型复合控制系统指令型复合控制系统的系统构型如图1所示，是一个前馈

5、——反馈控制方案。前馈回路利收稿日期：2016—04—12；退修日期：2016—04—20；录用日期：2016～05—11；网络出版时间：2016—06—1313：52网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20160613．1352．002．html*通讯作者．Tel．：029—88398294E—mail：diabloj99@qq．corn戤嗣摇武

6、鹿存倪．胡永太．气动舵面／Rcs复合控韵系统构型设计s仿真【JI．航空学报·2016·37(SI)：S106-SIll．LUCK·HUYT．Designandsimulationo

7、fconfigurationsforaerodynamicsurfaces／RCSblendedcontrolsystem[J]．ActaAeronauticaetAstro-nau-ticaSinica，2016，37(SD：S106-S1¨．鹿存侃，等：气动舵面／RCS复合控制系统构型设计与仿真用控制指令直接形成舵回路控制信号；反馈回路将误差信号作为RCS系统指令信号，弥补前馈控制回路的产生的误差‘11]。图1指令型复合控制系统Fig．1Commandconfigurationblendedcontroller气动舵前馈控制系统部分是根据指令姿态角产生气动舵面偏角指令。

8、该指令经过舵回路产生实际舵面偏角，进而形成控制力矩使飞行姿态角偏转。实际姿态角和指令姿态角之间的误差产生RCS系统工作指令，由RCS系统产生控制力矩补偿姿态角和指令值之间的偏差。随着飞行高度的逐渐降低，空天飞行器气动舵的控制能力由弱到强，因此采用指令型复合控制系统，一方面具有较好的过渡性能，另一方面节省燃料。1．2力矩型复合控制系统力矩型复合控制系统的系统构型如图2所示，通过在控制器输出环节上增加控制力矩分配模块，实现两类或两类以上的执行机构共用同一个控制器，不改变控制器结构。图2力矩型复合控制系统Fig．2Mom