[发明专利]一种姿轨控发动机的耦合方法

摘要

一种姿轨控发动机的耦合方法，在将本体系三个方向的位置和滚动、俯仰、偏航三个方向的姿态控制共六自由度控制指令分配问题降维为多个最高为二自由度问题的子问题的基础上，设计了可同时考虑轨道和姿态控制的二自由度子问题的发动机使用方法，包括通过发动机矢量夹角与控制指令夹角的比较进行发动机选择，开机时长的计算以及超界情况下的开机时长处理方法，从而解决了传统发动机使用策略在姿轨控耦合强的情况下，发动机使用效率低的问题，能够有效减少位置和姿态六自由度控制过程中干扰力和干扰力矩的产生，提高控制的精度和稳定性，降低推进剂消耗。

主权项

一种姿轨控发动机的耦合方法，其特征在于，包括以下步骤：首先交会对接涉及三轴位置、姿态的六自由度控制任务的六维控制指令分配问题分解为最高为二自由度的子问题，设该二自由度子问题中的两个自由度方向分别为F方向和M方向，其中，F和M方向为六自由度方向中的两个不同方向，然后将该二自由度控制指令分配子问题按以下步骤处理；设用于该二自由度控制指令分配的n台发动机，编号为1～n；其中，p为交会对接任务总的发动机配置台数，且p≥n≥3，p≥12；1)计算发动机矢量夹角，具体为：设编号为i，i∈{1,...n}，的发动机在F方向和M方向的分量记为TiF和TiM，则每台发动机与F方向的夹角按下式计算：如果TiF≥0且TiM≥0，θi＝arctan(TiM/TiF)如果TiF<0且TiM≥0，θi＝π+arctan(TiM/TiF)如果TiF<0且TiM<0，θi＝π+arctan(TiM/TiF)如果TiF≥0且TiM<0，θi＝2π+arctan(TiM/TiF)从而得到n台发动机与F方向夹角θ1～θn；2)选择开机发动机若控制器输出的控制量并非力和力矩的形式，而是开机时间的形式，则需将开机时间按下式化为力或力矩的形式：其中，a为控制器设计时设定的该方向上的控制能力标称值，△t为控制周期，式中，等效控制量即为转化后的力和力矩；将力和力矩形式的等效六维控制指令向量u转变为二自由度子问题，即F和M方向上的控制指令分量分别为uF和uM，构成二维指令向量[uF uM]与F方向的夹角按下式计算：如果uF≥0且uM≥0，θu＝arctan(uM/uF)如果uF<0且uM≥0，θu＝π+arctan(uM/uF)如果uF<0且uM<0，θu＝π+arctan(uM/uF)如果uF≥0且uM<0，θu＝2π+arctan(uM/uF)将步骤1)中θ1～θn按从小到大依次排列，并将θu与θ1～θn逐一进行比较，如果满足如下两个条件，则开机发动机编号为i和j；条件1：θi≤θu<θj(i,j∈{1,...n})条件2：对于k≠i且k≠j，θi<θk<θj不成立；3)发动机开机时长计算设步骤2)中选出的开机发动机i和j在F方向和M方向的分量分别记为TiF、TiM和TjF、TjM，则发动机i和j的开机时长计算公式如下：ti*=K(TjMuF-TjFuM)]]>tj*=K(-TiMuF+TiFuM)]]>K＝TiFTjM‑TjFTiM其中，和为这两个发动机的开机时长虚拟值；如果计算结果满足且i,j∈{1,...n}，则转步骤5)，否则转步骤4)；4)开机时长超界处理对于的情况，称为开机时长超界，这种情况下的处理方法如下：①有1台发动机的开机时长大于1优先满足某一方向的控制需求，即如果则优先满足M或F方向控制需求的发动机开机时间计算公式如下ti*=1,]]>tj*=(uX-TiX)/TjX]]>式中：下角标中X为M或F；优先满足M方向时，式中X为M；优先满足F方向时，式中X为F；经上述处理后，若仍存在开机时长大于1的发动机，则将其开机时长直接赋值为1；②若2台发动机开机时长皆大于1，则直接将2台发动机赋值为1；5)计算发动机i和j的开机时长真实值在一个控制周期内，发动机i和j开机的真实时长由下面的公式给出：ti=ti*×Δttj=tj*×Δt]]>其中，△t为控制周期；其中ti为发动机i的开机时长，tj为发动机j的开机时长；6)按上述步骤得到各开机发动机的开机时长，对未超出控制周期的开机时长按上述步骤得到的开机时长赋值，对超出控制周期的开机时长直接赋值为控制周期，对不开机发动机的开机时长赋值为0，控制指令分配完毕。