一种运载火箭增益和网络参数自适应调节的控制系统的制作方法

1.本技术涉及运载火箭的技术领域，特别是一种运载火箭增益和网络参数自适应调节的控制系统。


背景技术：

2.随着运载火箭运载能力的提高，其质量、推力和长细比增大，且多采用助推器与芯级发动机联合摆动参与姿态控制，同时由于复杂气动载荷的作用，导致整体火箭呈现出弹性低频密频模态、强耦合振动、复杂的局部变形等特征，导致箭体模型参数存在很大程度的时变性和不确定性，这将导致火箭姿态控制系统的稳定裕度降低甚至造成失稳的概率极大提高。传统姿态控制设计根据选取特征秒点，对模型参数进行极限拉偏，设计一套固定的参数能够适应多个飞行时刻的额定、拉偏状态。这种基于偏差的设计方式在工程中广泛使用，但存在较大的保守性。且对于模型参数偏差较大的情况，基于这种方式设计的参数难以适应不同飞行时刻。


技术实现要素：

3.本技术提供一种自适应调节的控制方法和控制系统，目的是对弹性振动采用了幅值稳定进行控制，促使弹性振动幅值减小，直到自适应律达到最新的平衡态。
4.第一方面，提供了一种自适应调节的控制方法，其特征在于，包括：
5.获取第一箭体姿态偏差信号，所述第一箭体姿态偏差信号用于指示实际箭体姿态和理论箭体姿态之间的偏差；
6.根据所述第一箭体姿态偏差信号执行自适应律操作，得到调节系数；
7.根据所述调节系数调整第二箭体姿态偏差信号，得到箭体指令信号；
8.根据所述箭体指令信号，控制箭体的姿态角和/或角速度。
9.所述调节系数包括增益调节系数和/或网络调节系数。
10.在传统pid控制的基础上，增加增益和网络参数自适应调节模块。从指令信号中通过高通滤波器、低通滤波器提取出实时的高阶弹性振动能量信号，再结合自适应律、限幅处理得到增益和网络调节系数，将调节系数反馈至原增益和网络中，实现姿态角增益参数、网络参数的在线自适应调节。
11.与现有技术相比，本技术提供的方案至少包括以下有益技术效果：
12.(1)依据实时飞行的弹性信号强弱自适应调整控制参数，克服了地面固定参数设计的保守性，大幅提升控制系统的适应性。
13.(2)用调节后的增益和/或网络参数进行控制，能有效抑制高阶弹性对姿态角控制的影响，增强控制系统的鲁棒性和可靠性。
14.(3)本发明提出的方案简单可靠，易于工程实现。
15.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第二箭体姿态偏差信号和所述第一箭体姿态偏差信号为相同的信息。
16.可以实时根据当前周期内箭体的姿态偏差进行调控。
17.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一箭体姿态偏差信号对应的周期在所述第二箭体姿态偏差信号对应的周期之前。
18.箭体姿态偏差信号可以被并行处理，便于在高频场景中应用。
19.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述根据所述第一箭体姿态偏差信号执行自适应律操作，得到调节系数，包括：
20.对所述第一箭体姿态偏差信号进行高通滤波处理，得到第一弹性能量信号；
21.对所述第一弹性能量信号进行低通滤波处理，得到第二弹性能量信号；
22.根据所述第二弹性能量信号执行自适应律操作，得到所述调节系数。
23.增益和网络参数的自适应调节律设计需要以低通滤波器提取的弹性能量信号为输入，在控制参数设计合理时，即校正网络在各飞行段对弹性振动抑制较好，指令中的弹性信号趋近于零，这样调节系数变化率应为0，调节系数始终保持在初始值1左右。若飞行过程中出现弹性信号突然增大，引起姿态角控制指令中出现高频弹性振动信号，姿态角指令经过高低通滤波后的弹性能量增大，应使得增益调节系数、网络调节系数逐渐减小。调节系数减小带来两方面的影响：一是控制增益的降低，二是使得网络参数进行调节，对弹性幅值的滤波作用增强。以上两种措施相当于对弹性振动采用了幅值稳定进行控制，促使弹性振动幅值减小，直到自适应律达到最新的平衡态。
24.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述根据所述第一箭体姿态偏差信号执行自适应律操作，得到调节系数，包括：
25.根据所述第一箭体姿态偏差信号执行自适应律操作，得到调节系数初值；
26.当所述调节系数初值大于最大预设调节系数，所述调节系数为所述最大预设调节系数；
27.当所述调节系数初值小于最小预设调节系数，所述调节系数为所述最小预设调节系数；
28.当所述调节系数初值介于所述最小预设调节系数和所述最大预设调节系数之间，所述调节系数为所述调节系数初值。
29.对调节系数进行限幅处理，使调节系数可以处于合理范围内。为确保自适应增益和网络调节范围在设计包络范围内，在正常频域设计时，增益上下限拉偏20％进行裕度分析。同时，对一级飞行段主通道网络串上时变网络环节后一阶弹性频率处仍留有足够的稳定裕度。
30.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一弹性能量信号满足：
31.y
hp
＝g
hp
(s)δc，g
hp
(s)表示所述高通滤波处理，δc表示所述箭体指令信号。
32.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第二弹性能量信号满足：
33.g
lp
(s)表示所述低通滤波处理，y
hp
表示所述第一弹性能量信号。
34.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述根据所述第一箭体姿态偏差信号执行自适应律操作，包括：
35.根据确定调节系数k，ys＝d
al
(z)
·
(d
ah
(z)
·
l
zl
)2，α和β是大于零的自适应律常系数，d
ah
(z)、d
al
(z)分别表示高通滤波网络和低通滤波网络，l
zl
为控制指令，
36.自适应律操作可以考虑弹性作用，具体体现在-p
hi
(ys)
·
α
·
k，实现对弹性振动引起的幅值稳定进行控制。
37.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，激活函数满足：a、b、m是大于零的常系数。
38.激活函数是弹性能量信号ys的函数，可以根据姿态角通道控制指令中包含的高频弹性的强弱而变化，可根据实际情况灵活设计。
39.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，
40.结合姿控设计下限设计，有利于提高自适应律设计合理性。
41.第二方面，提供了一种自适应调节的控制系统，所述系统用于执行如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述的方法。
附图说明
42.图1为本技术实施例提供的一种自适应调节的控制方法的示意性流程图。
43.图2为本技术实施例提供的一种自适应调节的控制系统的示意性结构图。
44.图3为本技术实施例提供的另一种自适应调节的控制系统的示意性结构图。
45.图4为不同b/a下激活函数p
hi
(ys)的示意图。
具体实施方式
46.下面结合附图和具体实施例对本技术作进一步详细的描述。
47.图1是本技术实施例提供的一种自适应调节的控制方法的示意性流程图。
48.110，获取第一箭体姿态偏差信号。
49.120，根据第一箭体姿态偏差信号执行自适应律操作，得到调节系数。
50.130，根据调节系数调整第二箭体姿态偏差信号，得到箭体指令信号。
51.140，根据箭体指令信号，控制箭体的姿态角和/或角速度。
52.在本技术实施例中，调节系数可以包括增益调节系数和/或网络调节系数。
53.图2是本技术实施例提供的一种自适应调节的控制系统的示意性结构图。下面结合图2，阐述本技术实施例提供的一种自适应调节的控制方法。
54.控制系统可以包括高通滤波器、低通滤波器、自适应律1、自适应律2、限幅处理1、限幅处理2。
55.在周期1内，假设箭体的理论姿态角1为理论角速度1为ω
c1
，箭体的实际姿态角1为实际角速度1为ω1(实际姿态角和实际角速度可以通过惯性组件和速率陀螺检测得到)。根据和的偏差，以及ω
c1
和ω1的偏差，可以得到箭体姿态偏差信号1。
56.根据周期1的网络调节系数k
w1
(例如为初始网络调节系数，或根据周期1的前一周期的δ
c0
确定)和周期1的增益调节系数k
a1
(例如为初始增益调节系数，或根据周期1的前一
周期的δ
c0
确定)，对箭体姿态偏差信号1进行调整，得到调整后的箭体姿态偏差信号2。根据箭体姿态偏差信号2可以确定箭体指令信号δ
c1
。箭体指令信号可以用于指示伺服机构控制发动机的状态，以缩小箭体的理论姿态角和实际姿态角之间的偏差，以及箭体的理论角速度和实际角速度之间的偏差。
57.具体地，对于增益的调节，可以考虑直接将主通道静态增益a0乘上调节系数k1，即a0＝k1·
a0；网络调节可以考虑对例如二阶网络环节的分子阻尼项ξ1进行调节，通过k2的变化完成对弹性高频滤波的调整，即ξ1＝k2·
ξ2。
58.在一些实施例方式中，δ
c1
还可以用于指示周期2的网络调节系数k
w2
和增益调节系数k
a2
。网络调节系数k
w2
和增益调节系数k
a2
可以用于在周期2对周期2的箭体姿态偏差信号3进行调整，并得到周期2内调整后的箭体姿态偏差信号4。
59.具体过程如下：
60.在周期2内，假设箭体的理论姿态角2为理论角速度2为ω
c2
，箭体的实际姿态角2为实际角速度2为ω2。根据和的偏差，以及ω
c2
和ω2的偏差，可以得到箭体姿态偏差信号3。
61.根据周期2的网络调节系数k
w2
和周期2的增益调节系数k
a2
，对箭体姿态偏差信号3进行调整，得到调整后的箭体姿态偏差信号4。根据箭体姿态偏差信号4可以确定箭体指令信号δ
c2
。δ
c2
可以用于指示伺服机构控制发动机的状态，以缩小箭体的理论姿态角和实际姿态角之间的偏差，以及箭体的理论角速度和实际角速度之间的偏差。
62.在另一些实施例方式中，δ
c1
还可以用于修正周期1的网络调节系数k
w1
和增益调节系数k
a1
，得到修正后的网络调节系数k
w1’和增益调节系数k
a1’。网络调节系数k
w1’和增益调节系数k
a1’可以用于在周期1对周期1的箭体姿态偏差信号1进行调整，并得到周期1内调整后的箭体姿态偏差信号5。根据箭体姿态偏差信号5可以确定箭体指令信号δ
c1’。δ
c1’可以用于指示伺服机构控制发动机的状态，以缩小箭体的理论姿态角和实际姿态角之间的偏差，以及箭体的理论角速度和实际角速度之间的偏差。
63.图3是本技术实施例提供的另一种自适应调节的控制系统。下面结合图3，阐述本技术实施例提供的一种自适应调节的控制方法。
64.控制系统可以包括高通滤波器、低通滤波器、自适应律1、自适应律2、限幅处理1、限幅处理2。
65.在周期1内，假设箭体的理论姿态角1为理论角速度1为ω
c1
，箭体的实际姿态角1为实际角速度1为ω1。根据和的偏差，以及ω
c1
和ω1的偏差，可以得到箭体姿态偏差信号1。箭体姿态偏差信号1可以用于指示周期1的网络调节系数k
w1
和增益调节系数k
a1
。根据周期1的网络调节系数k
w1
和周期1的增益调节系数k
a1
，对箭体姿态偏差信号1进行调整，得到调整后的箭体姿态偏差信号2。根据箭体姿态偏差信号2可以确定箭体指令信号δ
c1
。
66.下面介绍调节系数的确定流程。
67.δc可以经过高通滤波器。结合箭体高阶弹性频率偏差范围，设计高通滤波器g
hp
(s)，将经过网络、增益计算得到的控制指令中的高阶弹性信息y
hp
提取出来，有：y
hp
＝g
hp
(s)
δc。将提取的弹性信息进行平方处理，得到弹性能量信号
68.弹性能量信号可以经过低通滤波器。根据箭体响应能力，设计低通滤波器g
lp
(s)的频带，在刚体截止频率之内，确保进入自适应律的弹性信号变化平稳。对弹性能量信号进行低通滤波处理，有：
69.弹性振动信号经过高低通滤波器处理后输入到自适应律中。一般的，自适应律设计为调节系数k的微分函数形式，它可以根据姿态角通道控制指令中包含的高频弹性的强弱而变化，可根据实际情况灵活设计。
70.在本技术提供的一些实施例中，增益和网络的自适应律均设计为调节系数k的微分函数形式：
[0071][0072]
式中p
hi
(ys)是激活函数，激活函数根据姿态角通道控制指令中包含的高频弹性的强弱在0～1范围内变化，α和β是大于零的自适应律常系数。
[0073]
激活函数可以满足：ys＝d
al
(z)
·
(d
ah
(z)
·
l
zl
)2，d
ah
(z)、d
al
(z)分别表示高通滤波网络和低通滤波网络，l
zl
为控制指令，a、b、m是大于零的常系数。
[0074]
当指令中的弹性能量ys很小时，激活函数近似为0，自适应律中弹性作用部分-p
hi
(ys)
·
α
·
k为0，此时弹性对增益调节不施加作用。当ys增大到一定值时，激活函数逐渐增大到1，弹性对增益调节的作用逐渐增强。其中，m是弹性能量信号ys的放大倍数。
[0075]
a和b决定了激活函数p
hi
(ys)的形状，b/a决定了激活的门槛，其越小激活的门槛越低，如图4所示。b决定了函数上升的速度，上升速度越快，意味着增益和网络调节的速度越快，对弹性的变化越敏感。从工程实践角度考虑，需要避免调节过快，同时结合仿真和实际飞行结果分析。
[0076]
在一些实施例中，通过自适应律输出的调节系数可以为调节系数初值。调节系数初值可以被执行限幅操作。具体地，结合频域稳定性分析，对自适应律计算的调节系数进行限幅处理，以输出调节系数终值。
[0077]
增益调节系数ka、网络调节系数kw限幅值需要根据实际频域稳定性设计包络范围、实际偏差范围综合考虑。ka、kw的初值均为1.0，进行限幅处理：
[0078]
1)增益调节用限幅
[0079]
限幅在范围内，即
[0080][0081]
2)时变网络调节用限幅
[0082]
限幅在范围内，即
[0083][0084]
则有调节后的控制增益：a0＝ka·
a0，调节后的时变网络阻尼：ξ1＝kw·
ξ1。
[0085]
对于自适应律参数α和β的设计，考虑自适应律的平衡点，即有：
[0086][0087]
根据姿控设计上下限范围，结合增益拉偏的上下限范围当增益达到下限幅值时，有：
[0088][0089]
对于网络参数的调节，考虑对固定弹性频率处二阶滤波网络的阻尼参数进行调节，设分子阻尼参数ξ1的调节范围为当ξ1达到下限幅值时，有：
[0090][0091]
参数选取原则如下：
[0092]
1)若希望激活函数p
hi
(ys)＝1时，增益调节系数达到限幅值，则此情况下，增益不会轻易地达到限幅值，调节速度不快；
[0093]
2)若希望在激活函数处于上升段p
hi
(ys)＜1时，增益调节系数就达到限幅值，则这样整体的自适应律对弹性的反映更灵敏，通过降低增益来减小弹性振动的效果越好；
[0094]
3)若希望在激活函数p
hi
(ys)＝1时，网络调节系数达到限幅值，则此种情况下，参数不会轻易的达到限幅值，调节速度不快；
[0095]
4)若希望在激活函数处于上升段p
hi
(ys)＜1时，网络调节系数就达到限幅值，则这样整体的自适应律对弹性的反映更灵敏，通过网络参数调节来减小弹性振动的效果越好。
[0096]
为抑制弹性大偏差幅值穿越，规定调节系数的上限值均为1。
[0097]
图2和图3所示的自适应调节控制系统均可以以姿态角控制指令δc为输入，静态增益调节系数k1、网络调节系数k2为输出，在基于pid的控制器 校正网络的基础上，通过增益和网络调节系数的自适应调整实现如下两个功能：
[0098]
(1)当不确定弹性振动引起弹性信号与控制信号发生耦合时，通过在线调整姿态角通道增益、调节网络参数增强滤波的方式，减弱弹性振动影响；
[0099]
(2)当原控制器能够较好地实现姿态角稳定控制时，尽量不改变增益和网络参数。
[0100]
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。