飛行器姿態(tài)通道內(nèi)的控制器及其設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種飛行器姿態(tài)通道內(nèi)的控制器及其設(shè)計方法，所述控制器包括：頻率響應(yīng)函數(shù)為WG(s)的第一頻率響應(yīng)單元，其輸入端為控制器的輸入端；低通濾波單元，其輸入端與第一頻率響應(yīng)單元的輸出端相連；減法器，其正向輸入端與第一頻率響應(yīng)單元的輸出端相連，負向輸入端與低通濾波單元的輸出端相連，其輸出端輸出的信號用于控制第一空氣舵；頻率響應(yīng)函數(shù)為的第二頻率響應(yīng)單元，其輸入端與低通濾波單元的輸出端相連；乘法器，其輸入端與第二頻率響應(yīng)單元的輸出端相連，用于將第二頻率響應(yīng)單元輸出的信號乘以系數(shù)后從其輸出端輸出，輸出的信號用于控制第二空氣舵。本發(fā)明的控制器在實現(xiàn)姿態(tài)通道內(nèi)的兩個空氣舵的控制時，設(shè)計工作量小。
【專利說明】飛行器姿態(tài)通道內(nèi)的控制器及其設(shè)計方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航空航天領(lǐng)域，尤其涉及一種飛行器姿態(tài)通道內(nèi)的控制器及其設(shè)計方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 飛行器（flight vehicle)是一種由人類制造并由人來控制的器械飛行物，它能飛 離地面，并可在大氣層內(nèi)或大氣層外空間（太空）飛行。飛行器分為5類，包括：滑翔機、 飛艇、飛機、直升機等航空器，人造地球衛(wèi)星、載人飛船、空間探測器、航天飛機等航天器，火 箭，導(dǎo)彈和制導(dǎo)武器。
[0003] 飛行器能在空中按預(yù)定的軌跡運動總離不開它的姿態(tài)控制系統(tǒng)。由于角運動使飛 行器的姿態(tài)發(fā)生變化，因此對飛行器在空間的角運動（可分解為俯仰、偏航和滾動三個角 運動）的控制就是對飛行器姿態(tài)的控制。其中，控制使飛行器三個姿態(tài)角發(fā)生變化的力矩 由飛行器上的執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生，常見的執(zhí)行機構(gòu)有空氣舵、推力矢量發(fā)動機、反作用飛輪、噴 氣執(zhí)行機構(gòu)或由其它環(huán)境力執(zhí)行機構(gòu)。
[0004] 其中，帶有伺服系統(tǒng)的空氣舵在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。為保證諸如高速 滑翔飛行器類的飛行器的穩(wěn)定飛行，飛行器的單個姿態(tài)通道內(nèi)可配置兩個獨立的空氣舵以 及相應(yīng)的伺服系統(tǒng)（記為3? 1和SF2);其中，兩個空氣舵的頻率響應(yīng)函數(shù)分別為WSl(s)、 WS2(s);兩個空氣舵的伺服系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)分另ij為WSF1(s)和WSF2(s)。通常，可認為 WSF1(s)的動態(tài)特性較快，WSF2(s)的動態(tài)特性較慢。

【權(quán)利要求】
1. 一種飛行器姿態(tài)通道內(nèi)的控制器，其特征在于，包括： 第一頻率響應(yīng)單元，其頻率響應(yīng)函數(shù)為We(s)，其輸入端為所述控制器的輸入端； 低通濾波單元，其輸入端與第一頻率響應(yīng)單元的輸出端相連； 減法器，其正向輸入端與第一頻率響應(yīng)單元的輸出端相連，其負向輸入端與所述低通 濾波單元的輸出端相連，其輸出端輸出的信號用于控制所述姿態(tài)通道內(nèi)的第一空氣舵； 第二頻率響應(yīng)單元，其頻率響應(yīng)函數(shù)為
，其輸入端與所述低通濾波單元的輸出 端相連； 乘法器，其輸入端與第二頻率響應(yīng)單元的輸出端相連，用于將第二頻率響應(yīng)單元輸出 的信號乘以系數(shù)|后從其輸出端輸出，輸出的信號用于控制所述姿態(tài)通道內(nèi)的第二空氣 k 舵； 其中，We(s)是根據(jù)所述姿態(tài)通道內(nèi)的第一空氣舵的頻率響應(yīng)函數(shù)、第一空氣舵的伺服 系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)設(shè)計的； WSF1(s)是第一空氣舵的伺服系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)； WSF2(s)是第二空氣舵的伺服系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)； k是第二空氣舵的頻率響應(yīng)函數(shù)與第一空氣舵的頻率響應(yīng)函數(shù)的比例。
2. 如權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于，所述We(s)具體根據(jù)如下方法計算得到 的： 將所述姿態(tài)通道內(nèi)的第一空氣舵的頻率響應(yīng)函數(shù)、第一空氣舵的伺服系統(tǒng)的頻率響應(yīng) 函數(shù)，分別作為虛擬的被控對象的頻率響應(yīng)函數(shù)1 (s)、虛擬的被控對象的伺服系統(tǒng)的頻率 響應(yīng)函數(shù)WSF(s); 根據(jù)Ws (s)、WSF(s)設(shè)計出虛擬控制器的頻率響應(yīng)函數(shù)We(s)。
3. 如權(quán)利要求2或3所述的控制器，其特征在于，所述Ms)具體為：
其中，m為設(shè)定的數(shù)值，s為頻率。
4. 一種飛行器姿態(tài)通道內(nèi)的控制器設(shè)計方法，包括： 將所述姿態(tài)通道內(nèi)的第一空氣舵的頻率響應(yīng)函數(shù)、第一空氣舵的伺服系統(tǒng)的頻率響應(yīng) 函數(shù)，分別作為虛擬的被控對象的頻率響應(yīng)函數(shù)^ (s)、虛擬的被控對象的伺服系統(tǒng)的頻率 響應(yīng)函數(shù)WSF(s); 根據(jù)Ws(s)、WSF(s)設(shè)計出虛擬控制器的頻率響應(yīng)函數(shù)We(s); 根據(jù)We(s)計算出用于控制第一空氣舵的第一控制器的頻率響應(yīng)函數(shù)Wei (s)，以及用 于控制所述姿態(tài)通道內(nèi)的第二空氣舵的第二控制器的頻率響應(yīng)函數(shù)We2 (s):
其中，WSF1(s)為第一空氣舵的伺服系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù);WSF2(s)為第二空氣舵的伺服 系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)；k為第二空氣舵的頻率響應(yīng)函數(shù)與第一空氣舵的頻率響應(yīng)函數(shù)的比 例；WdG)為設(shè)定的低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)； 根據(jù)wei (s)、We2(s)分別設(shè)計出第一控制器和第二控制器。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)We(s)計算出用于控制第一空氣舵 的第一控制器的頻率響應(yīng)函數(shù)W ei (s)，以及所述姿態(tài)通道內(nèi)的第二空氣舵的控制器的頻率 響應(yīng)函數(shù)WG2 (s),具體包括： 計算出所述虛擬控制器的開環(huán)傳遞特性G); 使得第一空氣舵的控制器與第二空氣舵的控制器的控制回路的開環(huán)傳遞特性W_n(S) 與(4 一致后，通過設(shè)定的低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)Ms),得到We(s)的高頻部分 Wei (s)和低頻部分W' e2 (s)，進而根據(jù)W' e2 (s)得到We2 (s)。
6. 如權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述Ms)具體為：
其中，m為設(shè)定的數(shù)值，s為頻率。
7. -種飛行器姿態(tài)通道內(nèi)的控制器，其特征在于，包括： 第一控制器，用于控制所述姿態(tài)通道內(nèi)的第一空氣舵，其頻率響應(yīng)函數(shù)為Wei (s); 第二控制器，用于控制所述姿態(tài)通道內(nèi)的第二空氣舵，其頻率響應(yīng)函數(shù)為We2 (s);其 中，
其中，WSF1(s)為第一空氣舵的伺服系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù);WSF2(s)為第二空氣舵的伺服 系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)；k為第二空氣舵的頻率響應(yīng)函數(shù)與第一空氣舵的頻率響應(yīng)函數(shù)的比 例；W^^s)為設(shè)定的低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)。
8. 如權(quán)利要求7所述的控制器，其特征在于，所述W^shW^s)是根據(jù)如下方法設(shè)計 出的： 將所述姿態(tài)通道內(nèi)的第一空氣舵的頻率響應(yīng)函數(shù)、第一空氣舵的伺服系統(tǒng)的頻率響應(yīng) 函數(shù)，分別作為虛擬的被控對象的頻率響應(yīng)函數(shù)^ (s)、虛擬的被控對象的伺服系統(tǒng)的頻率 響應(yīng)函數(shù)WSF(s); 根據(jù)Ws(s)、WSF(s)設(shè)計出虛擬控制器的頻率響應(yīng)函數(shù)We(s); 根據(jù) (s)計算出 Wei (s)、We2 (s)。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的控制器，其特征在于，所述Ms)具體為：
其中，m為設(shè)定的數(shù)值，s為頻率。
【文檔編號】G05B13/04GK104155984SQ201410389938
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】柳嘉潤, 黃萬偉, 包為民, 馬衛(wèi)華, 祁振強, 唐海紅 申請人:北京航天自動控制研究所