[发明专利]一种确定速率陀螺安装位置的方法及系统

说明书

本申请公开了一种确定速率陀螺安装位置的方法及系统，其中确定速率陀螺安装位置的方法具体包括如下步骤：根据火箭箭体结构以及箭体内的环境约束，给出允许安装速率陀螺的区间集合；根据火箭箭体结构的总体级数，计算各级平均比例耦合因子；根据各级平均比例耦合因子计算速率陀螺安装位置的定量评价指标；在允许安装速率陀螺的区间集合内，确定速率陀螺安装位置的定量评价指标的最小值；输出定量评价指标的最小值对应的安装位置为最优安装位置。本申请能够降低由于弹性抑制控制裕度不足造成的对陷波滤波器高衰减需求，提高飞行的稳定性裕度、动态特性及控制精度。

技术领域

本申请涉及火箭领域，具体地，涉及一种确定速率陀螺安装位置的方法及系统。

背景技术

为避免运载火箭刚体姿态控制中，由于惯性测量器件(Inertial MeasurementUnit,IMU)安装处结构弹性振动引入的额外转动角速度，形成的刚体姿态控制系统与结构弹性振动的耦合效应，往往采用一个或多个速率陀螺作为单独的角速度测量装置，安装于弹性转动幅度较小或可以相互抵消的位置，改善姿态控制系统的品质。若采用速率陀螺仍难以满足控制裕度需求，则需要加入校正网络，通常为数字滤波器，滤波器的频率特性为在弹性振动频率处起陷波衰减作用，同时配合在刚体频率范围内补偿相位滞后。相对于液体运载火箭，固体发动机的燃速相对较快、比冲相对较低，为尽快克服发动机燃烧后的死重，提高运载能力，固体运载火箭往往采用更多级数的设计，造成结构上长细比较大；另一方面，虽然固体运载火箭的一阶频率相对较高，但其频率随时间的变化较快；再者，为尽量降低发射成本，期望使用尽可能少的速率陀螺就能够抑制多级弹性振动；因而，固体运载火箭的弹性抑制控制有其固有的特点，需要开展针对性设计。

传统的速率陀螺布置方式往往根据结构布局约束，粗略给出安装位置，仅通过综合验证给出可行性的结论，缺乏定量优化设计过程，造成陷波滤波器设计困难，影响控制系统的裕度，造成对系统响应带宽及噪声敏感性的牺牲；或者各级采用独立的速率陀螺，但这样提高了产品成本。

因此，如何能够在不提高产品成本的前提下，准确快速的给出速率陀螺安装位置是本领域人员目前急需解决的问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种确定速率陀螺安装位置的方法及系统，优化速率陀螺的安装位置，降低由于弹性抑制控制裕度不足造成的对陷波滤波器高衰减需求，提高飞行的稳定性裕度、动态特性及控制精度。

为达到上述目的，本申请提供了一种确定速率陀螺安装位置的方法，具体包括如下步骤：根据火箭箭体结构以及箭体内的环境约束，给出允许安装速率陀螺的区间集合；根据火箭箭体结构的总体级数，计算各级平均比例耦合因子；根据各级平均比例耦合因子计算速率陀螺安装位置的定量评价指标；在允许安装速率陀螺的区间集合内，确定速率陀螺安装位置的定量评价指标的最小值；输出定量评价指标的最小值对应的安装位置为最优安装位置。

如上的，其中，计算各级平均比例耦合因子，还包括以下子步骤：确定一阶弹性振动频率f₁(t)；确定刚体姿态控制回路截止频率随时间变化的函数ω_c(t)；根据刚体姿态控制回路截止频率随时间变化的函数ω_c(t)、一阶弹性振动频率f₁(t)确定各级平均比例耦合因子。

如上的，其中，一阶弹性振动频率f₁(t)通过对运载火箭的结构形式及质量分布，采用有限单元法进行数学建模计算。

如上的，其中，将一阶弹性振动频率f₁与刚体姿态控制回路截止频率ω_c(t)之比为比例耦合因子，定义比例耦合因子对飞行时间的归一化积分为平均比例耦合因子w_k，各级平均比例耦合因子ω_k具体表示为：其中f₁(t)为一阶弹性振动频率随时间变化的函数，ω_c(t)为刚体姿态控制回路截止频率随时间变化的函数；积分运算代表连续求解；与分别表示该级数动力飞行的起始和停止时刻。