CN112612292B - 用于运载器主动段的高效减载方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种运载器主动段的高效减载方法，包括运载头部据顶端0.5米至0.8米位置安装栅格舵，所述栅格舵包括栅格舵本体和安装于所述栅格舵本体的四个舵片，栅格舵采用伺服电机驱动，所述栅格舵依靠运载器飞行过程中空气动力产生控制力，所述控制力用于控制姿态减小攻角。高效减载方法是增加头部的栅格舵和尾部的柔性喷管进行联合控制，将增加的栅格舵加入减载回路，由于又加入一种执行机构，控制能力增加，使得运载器更快减小攻角，栅格舵的控制力有利与载荷减小，更高效的减载。
Description
技术领域
本发明涉及运载器主动段减载姿态控制领域，尤其涉及一种用于运载器主动段的高效减载方法。
背景技术
姿态控制***根据控制需求选取被控变量，被控变量包括姿态角、攻角和过载等多个变量。通常所说的减载是减小飞行中的攻角，攻角产生升力，升力作用在运载器上产生过载，因此运载器在空中飞行攻角和载荷正相关，减小攻角就间接的达到减小载荷目的。过载由飞行攻角产生的力、风攻角产生的力及发动机摆动投影到法向的推力产生。可以通过载荷的模型可以分析如何通过控制将更有效的减小载荷，姿控***通过某种控制方法改变姿态保证姿态稳定的同时减小攻角，达到减载目的，这里称为常规减载法；在运载头部加装栅格舵用伺服电机驱动，栅格舵依靠运载器飞行过程中空气动力产生控制力。由于在头部安装，这种控制力可以控制姿态减小攻角，同时会产生一个减小过载的量，有利于快速减小运载器法向过载，称为高效减载法，如何提高减载效率，使得运载器在飞行中受到更好的控制力，是目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供一种运载器主动段高效减载分析的方法，在运载头部加装栅格舵用伺服电机驱动，栅格舵依靠运载器飞行过程中空气动力产生控制力。由于在头部安装，这种控制力可以控制姿态减小攻角，同时会产生一个减小过载的量，有利于快速减小运载器法向过载，通过分析载荷的数学模型，给出可以高效减载的条件，进一步完成过载反馈控制的减载设计，最后通过仿真，给出高效减载法相对于常规减载法的减载优势，验证该技术方法的正确性和有效性。
本发明第一方面提供了一种用于高效减载方法包括：运载头部据顶端0.5米至0.8米位置安装栅格舵，所述栅格舵包括栅格舵本体和安装于所述栅格舵本体的四个舵片，栅格舵采用伺服电机驱动，所述栅格舵依靠运载器飞行过程中空气动力产生控制力，所述控制力用于控制姿态减小攻角。
姿态控制***能控制的量是运载器尾部发动机的舵摆角，舵摆角改变产生控制力改变运载器的姿态。产生过载的量由飞行攻角、风攻角及舵摆动等变量组成，运载器飞行过程中，约80％的法向过载由飞行攻角和风攻角产生，减小了攻角就减少了大部分的飞行过程中的法向过载，从而达到减小载荷目的。但是减载过程中攻角减小的同时柔性喷管控制力会产生一个增大载荷的量，这种矛盾关系影响减载效果。
根据第一方面，在所述用于高效减载方法的第一种可能的实现方式中，所述控制姿态减小攻角通过所述栅格舵、尾部发动机的柔性喷管、减载回路、减载控制网络、姿态回路、姿态控制网络与惯性组合共同实现，包括：
所述栅格舵摆动产生的法向力方向与所述尾部发动机的柔性喷管产生的法向力方向相反。姿态回路产生的法向力方向与所述尾部发动机的柔性喷管产生的法向力方向相同，姿态回路产生的法向力矩使运载器快速低头使弹体轴靠近速度轴，减小攻角。
所述惯性组合用于实时测量运载器法向力和机体姿态。
所述减载回路由栅格舵、尾部发动机的柔性喷管、减载控制网络与惯性组合组成，所述减载控制网络利用惯性组合实时测量所述法向力计算减载舵摆角指令，所述减载舵摆角指令让尾部发动机的柔性喷管摆动和栅格舵的摆角偏转产生法向力控制运载器较小过载。
所述姿态回路由栅格舵、尾部发动机的柔性喷管、减载控制网络与惯性组合组成保证运载器稳定飞行，所述姿态控制网络利用惯性组合实时测量所述运载器姿态计算姿态舵摆角指令，所述姿态舵摆角指令让尾部发动机的柔性喷管摆动和栅格舵的摆角偏转产生法向力矩控制运载器姿态。
具体地，高效减载过程，由于运载器受扰动产生正攻角，为了消除正攻角，控制发动机柔性喷管向下摆动产生向上法向力，由于头部安装栅格舵，栅格舵向上摆动产生向下法向力，这样姿态回路产生一个正法向力矩使运载器快速低头使弹体轴靠近速度轴，保证稳定的同时以减小攻角，达到减载的目的。运载器的减载是通过减小攻角完成的，柔性喷管控制力会产生一个增大载荷的量，而头部安装栅格舵会产生一个减小载荷的量。使得运载器更快速减小载荷。快速减小载荷的同时，消除攻角。
根据第一方面，在所述用于高效减载方法的第二种可能的实现方式中，所述运载器速度大于3Ma，动压大于8000Pa。此情况下增加的头部的栅格舵才会有控制效率。
根据第一方面或所述用于高效减载方法的第一种可能的实现方式，在所述用于高效减载方法的第三种可能的实现方式中，所述尾部柔性喷管舵摆角与头部栅格舵摆角采用联动控制方式。采用高效减载控制方案比常规减载控制方案在过大风区时，进一步降低载荷约30％，高效减载姿态偏差进一步减小，解决了减小姿态角偏差与减小载荷矛盾的问题。
本发明第二方面公开了一种智能设备，包括：发送器、接收器、存储器和处理器；所述存储器用于存储计算机指令；所述处理器用于运行所述存储器存储的所述计算机指令实现以上所述用于运载器主动段的高效减载方法。
本发明第三方面公开了一种存储介质，包括：可读存储介质和计算机指令，所述计算机指令存储在所述可读存储介质中；所述计算机指令用于实现以上所述用于运载器主动段的高效减载方法。
本发明达到的有益效果为：高效减载方法是增加头部的栅格舵和尾部的柔性喷管进行联合控制，将增加的栅格舵加入减载回路，由于又加入一种执行机构，控制能力增加，使得运载器更快减小攻角，栅格舵的控制力有利与载荷减小，更高效的减载。进一步完成过载反馈控制的减载设计，最后通过仿真，给出高效减载法相对于常规减载法的减载优势，验证该技术方法的正确性和有效性，可以解决其他运载器过大风区载荷过大问题，具有巨大的应用价值和应用前景。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1为本发明实施例公开的常规减载原理图；
图2为本发明实施例公开的高效减载原理图。
通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
实施过程中，首先给出过载产生机理和减载原理，其中包括常规减载原理和高效减载原理的数学表达式，在运载头部加装栅格舵用伺服电机驱动，栅格舵依靠运载器飞行过程中空气动力产生控制力，这种控制力可以控制姿态减小攻角，同时会产生一个减小过载的量，有利于快速减小运载器法向过载；进一步，给出通过分析给出高效减载条件，完成高效减载设计方法，最后通过对比仿真验证高效减载的控制效果。
忽略运载器的弹性和晃动，只考虑刚体情况，过载是运载器的法向过载，即运载器在飞行过程中除了重力所受到的法向合外力，与自身重力的比值，单位为重力加速度g。在运载器飞行过程中，运载器的过载主要由飞行攻角产生升力及发动机摆动投影到法向的推力产生的。运载器惯性组合可以测量视加速度
除以重力加速度g，就可以得到的法向过载ny。在分析计算中，给出运载器惯性组合的测量法向加速度方程如下：
式中：α为运载器的飞行攻角，αw为飞行风产生的攻角，
为飞行器尾部舵摆角。
攻角法向加速度系数
是一个变化的量。其中，
为法向力系数对攻角的偏导数，随飞行攻角和飞行速度变化；q为飞行动压，随飞行高度和飞行速度变化；sm为运载器纵切面的特征面积；m为运载器的质量。
舵摆角法向加速度系数
是一个变化的量。其中，
为法向力系数对尾部舵摆角的偏导数；
法向加速度除以重力加速度即为法向过载，法向过载方程如下：
由式(2)可以看出，法向加速度和法向过载是一种线性变换。
姿态控制***能控制的量是运载器尾部发动机的舵摆角，舵摆角改变产生控制力改变运载器的姿态。由式(1)可以看出，产生过载的量由飞行攻角、风攻角及舵摆动等变量组成，运载器飞行过程中，约80％的法向过载由飞行攻角和风攻角产生，减小了攻角就减少了大部分的飞行过程中的法向过载，从而达到减小载荷目的。运载器常规减载方法是，姿控***通过控制尾部的发动机舵摆角改变运载器的姿态，在保证姿态稳定的同时减小攻角，达到减载目的，常规减载法是尾部发动机舵摆角产生的控制力，控制姿态减小攻角，但是控制的发动机摆角减小攻角的同时会产生一个增大过载的量，不利于快速减小过载。
本文发明公开的一种用于运载器主动段的高效减载方法，在运载头部据顶端0.5米至0.8米位置加装栅格舵，距离头部越近约可产生更大得控制力矩，栅格舵安装四个舵片，用200w功率伺服电机驱动，栅格舵依靠运载器飞行过程中空气动力产生控制力。由于在头部安装，这种控制力可以控制姿态减小攻角，同时会产生一个减小过载的量，有利于快速减小运载器法向过载。
常规减载方法是利用尾部发动机的柔性喷管产生推力，然后通过电动伺服推动柔性喷管产生控制力，控制运载器姿态，使运载器加快减小攻角，但是减载过程中攻角减小的同时柔性喷管控制力会产生一个增大载荷的量，这种矛盾关系影响减载效果。以来受风干扰产生攻角为例，原理图如图1所示。
图1中，x1oy1为机体坐标系，ox1轴为机体轴，oy1轴为法向轴。xvoyv为速度坐标系，oxv轴为速度轴，oyv轴为速度纵向轴。机体轴与速度轴的夹角为飞行攻角α，机体轴在速度轴上方时，为正攻角。
运载器受扰动风常影响，产生正攻角为例(反之过程相反)，消除正攻角就是减载过程。常规减载原理如下：由于运载器受扰动产生正攻角，控制发动机柔性喷管向下摆动，这时产生一个向上的法向力，同时姿态回路产生一个正法向力矩使运载器快速低头使弹体轴靠近速度轴，保证稳定的同时以减小攻角，达到减载的目的。运载器的减载是通过减小攻角完成的，柔性喷管控制力会产生一个增大载荷的量。数学表达式入式(3)所示。
↓表示过载量减小，↑表示过载量增大。从式子(3)可以看出柔性喷管向下摆动产生向上控制力，使得法向过载增大，运载器向下低头攻角减小，过载减小。柔性喷管向下摆动产生向上控制力阻碍过载减小。
本发明公开的高效减载方法是在运载头部加装栅格舵用伺服电机驱动，栅格舵依靠运载器飞行过程中空气动力产生控制力。由于在头部安装，这种控制力可以控制姿态减小攻角，同时会产生一个减小过载的量，有利于快速减小运载器法向过载。同样加入减载回路，由于又加入一种执行机构，控制能力增加，使得运载器更快减小攻角。同样以受风干扰影响，产生正攻角为例，高效减载原理图如图2所示。
高效减载过程是，由于运载器受扰动产生正攻角，为了消除正攻角，控制发动机柔性喷管向下摆动产生向上法向力，由于头部安装栅格舵，栅格舵向上摆动产生向下法向力，这样姿态回路产生一个正法向力矩使运载器快速低头使弹体轴靠近速度轴，保证稳定的同时以减小攻角，达到减载的目的。运载器的减载是通过减小攻角完成的，柔性喷管控制力会产生一个增大载荷的量，而头部安装栅格舵会产生一个减小载荷的量。使得运载器更快速减小载荷。数学表达式如式(4)所示。
完成高效减载需要满足一定条件，运载器的大风区高度约在9-12km，运载器速度需要超过3Ma，动压q超过8000Pa时，增加的头部的栅格舵才会有控制效率。发动机推力P取为700KN，法向力系数CN为0.07，参考面积sm为1.5m2。经过计算，头部栅格舵
的控制力系数n3t和尾部发动机柔性柔性喷管舵摆
的控制力系数n3相当。尾部柔性喷管舵摆角与头部栅格舵采用联动控制方式。
本发明高效减载硬件实施为在运载头部据顶端0.5米至0.8米位置加装栅格舵，距离头部越近约可产生更大得控制力矩，栅格舵安装四个舵片，用2000w功率伺服电机驱动，栅格舵依靠运载器飞行过程中空气动力产生控制力。在尾部发动机的柔性喷管安装作动器，然后通过5000w电动伺服推动作动器推动柔性喷管产生控制力。
本发明高效减算法设计包含姿态稳定控制网络设计和过载反馈控制网络设计两部分，从而完成减载控制。将姿态反馈控制方程写成如式(5)所示。
其中，am0为静态增益设计参数，根据运载器控制器能力一般取1～5，本发明设计取2；net(s)为姿态控制网络，取三阶形式
其中，s为拉普拉斯算子。
a2、a1、a0为分母网络设计参数，b1、b0为分子网络设计参数，根据运载器本身特性进行参数设计，按照控制理论中的奈奎斯特稳定判据，保证***稳定的设计参数即可。
过载反馈控制方程写成如式(6)所示。
δ2＝any·Nynet(s)ny (6)
其中，any为过载反馈增益设计参数，取值与静态增益相关，按am0:any＝4:1取值，本发明设计取0.5。
Nynet(s)为过载控制网络，这里可以取具体参数的二阶形式
ny为运载器法向过载，由惯性组合测量得到。
本文发明的高效减载设计的尾部舵摆角控制量和栅格舵舵摆角控制量如下式(7)、式(8)所示。
尾部柔性喷管与栅格舵采用联动控制方式，摆角比例为1:3，不仅仅限于此，可根据具体工程需要自行调节。
通过仿真得到的结论为：采用高效减载控制方案比常规减载控制方案在过大风区时，进一步降低载荷约30％，高效减载姿态偏差进一步减小，解决了减小姿态角偏差与减小载荷矛盾的问题。
本发明达到的有益效果为：高效减载方法是增加头部的栅格舵和尾部的柔性喷管进行联合控制，将增加的栅格舵加入减载回路，由于又加入一种执行机构，控制能力增加，使得运载器更快减小攻角，栅格舵的控制力有利与载荷减小，更高效的减载。进一步完成过载反馈控制的减载设计，最后通过仿真，给出高效减载法相对于常规减载法的减载优势，验证该技术方法的正确性和有效性，可以解决其他运载器过大风区载荷过大问题，具有巨大的应用价值和应用前景。
显然，上述具体实施案例仅仅是为了说明本方法应用所作的举例，而非对实施方式的限定，对于该领域的一般技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动，用以研究其他相关问题。因此，本发明的保护范围都应以权利要求的保护范围。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的电子设备等实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求书来限制。
Claims (6)
1.用于运载器主动段的高效减载方法，其特征在于，所述高效减载方法包括：
运载器头部距运载器顶端0.5米至0.8米位置安装栅格舵，所述栅格舵包括栅格舵本体和安装于所述栅格舵本体的四个舵片，栅格舵采用伺服电机驱动，所述栅格舵依靠运载器飞行过程中空气动力产生控制力，所述控制力用于控制姿态减小攻角以及产生减小载荷的量；
所述控制姿态减小攻角通过所述栅格舵、尾部发动机的柔性喷管、减载回路、减载控制网络、姿态回路、姿态控制网络与惯性组合共同实现，包括：
所述栅格舵摆动产生的法向力方向与所述尾部发动机的柔性喷管产生的法向力方向相反；
所述惯性组合用于实时测量运载器法向力和机体姿态；
所述减载回路由栅格舵、尾部发动机的柔性喷管、减载控制网络与惯性组合组成，所述减载控制网络利用惯性组合实时测量运载器法向力计算减载舵摆角指令，所述减载舵摆角指令让尾部发动机的柔性喷管摆动和栅格舵的摆角偏转产生法向力控制运载器较小过载；
所述姿态回路由栅格舵、尾部发动机的柔性喷管、姿态控制网络与惯性组合组成保证运载器稳定飞行，所述姿态控制网络利用惯性组合实时测量运载器姿态计算姿态舵摆角指令，所述姿态舵摆角指令让尾部发动机的柔性喷管摆动和栅格舵的摆角偏转产生法向力矩控制运载器姿态。
2.根据权利要求1所述的高效减载方法，其特征在于，减载回路产生的法向力方向与所述栅格舵摆动产生的法向力方向相同，姿态回路产生的法向力方向与所述尾部发动机的柔性喷管产生的法向力方向相同。
3.根据权利要求1所述的高效减载方法，其特征在于，所述运载器速度大于3Ma，动压大于8000Pa。
4.根据权利要求1所述的高效减载方法，其特征在于，所述尾部发动机的柔性喷管摆动与头部栅格舵摆角采用联动控制方式。
5.一种智能设备，其特征在于，包括：发送器、接收器、存储器和处理器；
所述存储器用于存储计算机指令；所述处理器用于运行所述存储器存储的所述计算机指令实现权利要求1至4任一项所述用于运载器主动段的高效减载方法。
6.一种存储介质，其特征在于，包括：可读存储介质和计算机指令，所述计算机指令存储在所述可读存储介质中；所述计算机指令用于实现权利要求1至4任一项所述用于运载器主动段的高效减载方法。
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|---|---|
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