飞行器RCS的自适应补偿PWPF调制方法和装置与流程

飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制方法和装置
技术领域
[0001]
本发明涉及反作用力控制领域，具体而言，涉及一种飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制方法、装置、计算机设备和可读存储介质。


背景技术：

[0002]
现有的飞行器rcs推力器（反作用力控制系统，reaction control system, rcs）中，一般通过pwpf调制（pwpf，脉宽脉频）来提高控制精度，但是现有的pwpf调制是建立在频繁的推力器开关机基础上的，过于频繁的开关会导致rcs推力器增加燃料的消耗，以及导致rcs推力器出现较高的故障率。


技术实现要素：

[0003]
鉴于上述问题，本发明提供了一种飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制方法、装置、计算机设备和可读存储介质，以降低rcs推力器燃料消耗和故障率。
[0004]
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制方法，包括：接收控制力矩信号，利用所述控制力矩信号通过自适应阻尼系数算法运算，获得阻尼系数，将所述阻尼系数作为脉宽脉频调制的负反馈回路的阻尼环节的系数；利用所述控制力矩信号进行脉宽脉频调制，获得调制后力矩信号，而脉宽脉频调制中的负反馈信号利用所述阻尼系数与所述调制后力矩信号进行乘法运算获得。
[0005]
优选地，所述的飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制方法中，所述自适应阻尼系数算法的算式包括：；式中，k
11
为所述阻尼系数，e为所述控制力矩信号与rcs额定力矩的比值。
[0006]
优选地，所述的飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制方法中，所述自适应阻尼系数算法的算式包括：；式中，k
12
为所述阻尼系数，e为所述控制力矩信号与rcs额定力矩的比值。
[0007]
优选地，所述的飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制方法中，所述自适应阻尼系数算法的算式包括：；式中，k
13
为所述阻尼系数，e为所述控制力矩信号与rcs额定力矩的比值。
[0008]
优选地，所述的飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制方法中，所述利用所述控制力矩信号进行脉宽脉频调制，获得调制后力矩信号包括：接收所述负反馈信号，利用所述负反馈信号以及所述控制力矩信号进行一阶惯性处理，获得一阶惯性信号；利用所述一阶惯性信号进行继电处理，获得所述调制后力矩信号；利用所述调制后力矩信号与所述阻尼系数做乘法获得所述负反馈信号。
[0009]
优选地，所述的飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制方法中，所述脉宽脉频调制的算式包括：；；；式中，t
ondamp
为阻尼补偿后进行脉宽脉频调制的开机时间，t
offdamp
为阻尼补偿后进行脉宽脉频调制的关机时间，dc
damp
为阻尼补偿后进行脉宽脉频调制的占空比；τ
m
为一阶惯性处理的时间系数，k
m
为一阶惯性处理的放大系数，u
on
为继电处理中信号的开机幅值，u
off
为继电处理中信号的关机幅值，k1为所述阻尼系数，e为所述控制力矩信号。
[0010]
本发明还提供一种飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制装置，包括：阻尼系数计算模块，用于接收控制力矩信号，利用所述控制力矩信号通过自适应阻尼系数算法运算，获得阻尼系数，将所述阻尼系数作为脉宽脉频调制的负反馈回路的阻尼环节的系数；力矩信号调制模块，用于利用所述控制力矩信号进行脉宽脉频调制，获得调制后力矩信号，而脉宽脉频调制中的负反馈信号利用所述阻尼系数与所述调制后力矩信号进行乘法运算获得。
[0011]
优选地，所述的飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制装置中，所述力矩信号调制模块包括：一阶惯性单元，用于接收所述负反馈信号，利用所述负反馈信号以及所述控制力矩信号进行一阶惯性处理，获得一阶惯性信号；继电处理单元，用于利用所述一阶惯性信号进行继电处理，获得所述调制后力矩信号；阻尼单元，用于利用所述调制后力矩信号与所述阻尼系数做乘法获得所述负反馈信号。
[0012]
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器以及处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述计算机设备执行所述的飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制方法。
[0013]
本发明还提供一种可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序在处理器上运行时执行所述的飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制方法。
[0014]
本发明提供一种飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制方法，该飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制方法包括：接收控制力矩信号，利用所述控制力矩信号通过自适应阻尼系数算法运算，获得阻尼系数，将所述阻尼系数作为脉宽脉频调制的负反馈回路的阻尼环节的系数；利用所述控制力矩信号进行脉宽脉频调制，获得调制后力矩信号，而脉宽脉频调制中的负反馈信号利用所述阻尼系数与所述调制后力矩信号进行乘法运算获得。本发明的飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制方法，可以使pwpf的调制周期变长、脉宽变大、每次调制减小误差的能力变强，减小了总的pwpf调制周期数，从而减小了总的rcs推力器开关机次数，降低rcs推力器燃料消耗和故障率。
[0015]
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0016]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。
[0017]
图1是本发明实施例1提供的一种飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制方法的流程图；图2是现有技术的pwpf调制的原理模型图；图3是本发明实施例1提供的一种自适应补偿的pwpf调制的原理模型图；图4是本发明实施例1提供的一种脉宽脉频调制的流程图；图5是本发明实施例2提供的一种自适应补偿pwpf调制的时间与开关次数曲线图；图6是本发明实施例2提供的一种pwpf调制的输入幅值与脉宽的曲线图；图7是本发明实施例3提供的一种飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制装置的结构示意图；图8是本发明实施例3提供的一种力矩信号调制模块的结构示意图。
具体实施方式
[0018]
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0019]
通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0020]
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一
个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
[0021]
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0022]
除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
[0023]
实施例1图1是本发明实施例1提供的一种飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制方法的流程图，该方法包括如下步骤：步骤s11：接收控制力矩信号，利用所述控制力矩信号通过自适应阻尼系数算法运算，获得阻尼系数，将所述阻尼系数作为脉宽脉频调制的负反馈回路的阻尼环节的系数。
[0024]
本发明实施例中，现有的高超声速飞行器的反作用力控制系统(reaction control system, rcs)往往采用常值推力器，需要依靠pwpf调制（pulse-width pulse-frequency，pwpf，脉宽脉频调制）这一手段来将姿态控制所需的实时控制力矩变为rcs推力器的“数字式”变推力。
[0025]
本发明实施例中，区别于现有的pwpf调制，在自适应补偿的pwpf调制的反馈环节中增加了自适应的阻尼补偿，也即在进行pwpf调制前，搭载反作用力控制系统的计算机设备在接收到控制力矩信号后，将通过自适应阻尼系数算法对实时的控制力矩信号进行运算，获得实时的阻尼系数，以便后续将该阻尼系数作为pwpf调制负反馈回路中的阻尼模块的系数，进行阻尼反馈补偿。其中，该计算阻尼系数的过程可以利用应用程序来实现，例如可以在计算机系统中设置有基于上述自适应阻尼系数算法的应用程序，通过该应用程序实时采集控制力矩信号，以实时计算相应的阻尼系数。
[0026]
步骤s12：利用所述控制力矩信号进行脉宽脉频调制，获得调制后力矩信号，而脉宽脉频调制中的负反馈信号利用所述阻尼系数与所述调制后力矩信号进行乘法运算获得。
[0027]
本发明实施例中，脉宽脉频调制即pwpf调制，图2为现有技术的pwpf调制的原理模型图。pwpf调制200由三部分组成，分别是一阶惯性处理部分210、继电处理部分220以及单位负反馈部分230。假设图2中输入的指令为e，一阶惯性处理部分210的输出为u。继电处理部分220输出为0时，单位负反馈部分230是0，u逐渐增大到u
on
，此时继电处理部分220开始输出，输出是u
m
，u
m
经过反馈环节作用在一阶惯性处理部分210的输入，使一阶惯性处理部分210此时的输出u
on
开始减小，直到u
off
，此刻起继电处理部分220无输出，反馈变成0，又使得一阶惯性处理部分210的输出开始增大，如此循环往复。
[0028]
现有的pwpf调制的算式包括：；；
；式中，t
on
为脉宽脉频调制的开机时间，t
off
为脉宽脉频调制的关机时间，dc为脉宽脉频调制的占空比；τ
m
为一阶惯性处理的时间系数，k
m
为一阶惯性处理的放大系数，u
on
为继电处理中信号的开机幅值，u
off
为继电处理中信号的关机幅值，k1为所述阻尼系数。
[0029]
图3为本发明实施例1提供的一种自适应补偿的pwpf调制的原理模型图。自适应补偿的pwpf调制300由四部分组成，分别是一阶惯性处理部分310、继电处理部分320、单位负反馈部分330以及阻尼补偿部分340。该阻尼补偿部分通过对采集的实时控制力矩信号进行自适应阻尼系数算法运算获得阻尼系数k1，调制后力矩信号经过该阻尼补偿部分340与得阻尼系数k1相乘运算后在进入单位负反馈部分330进行反馈，从而使pwpf的调制周期变长、脉宽变大、每次调制减小误差的能力变强，减小了总的pwpf调制周期数，从而减小了总的rcs推力器开关机次数。
[0030]
本发明实施例中，改进后的自适应补偿的pwpf调制的算式包括：；；；式中，t
ondamp
为阻尼补偿后进行脉宽脉频调制的开机时间，t
offdamp
为阻尼补偿后进行脉宽脉频调制的关机时间，dc
damp
为阻尼补偿后进行脉宽脉频调制的占空比；τ
m
为一阶惯性处理的时间系数，k
m
为一阶惯性处理的放大系数，u
on
为继电处理中信号的开机幅值，u
off
为继电处理中信号的关机幅值，k1为所述阻尼系数，e为所述控制力矩信号。
[0031]
其中，由现有的脉宽脉频调制的开机时间t
on
与阻尼补偿后进行脉宽脉频调制的开机时间t
off
进行比较：由于u
on
>u
off
，当k
1 < 1时，则上述t
ondamp-t
on > 0，t
ondamp
>t
on
以及dc
damp
>dc，因此加入基于阻尼系数k1阻尼补偿的pwpf调制的每个调制周期变长，且周期内rcs推力器的开机时间增加，使每个调制周期内pwpf调制减小误差的能力变强。
[0032]
图4是本发明实施例1提供的一种脉宽脉频调制的流程图，包括如下步骤：步骤s41：接收所述负反馈信号，利用所述负反馈信号以及所述控制力矩信号进行一阶惯性处理，获得一阶惯性信号。
[0033]
步骤s42：利用所述一阶惯性信号进行继电处理，获得所述调制后力矩信号。
[0034]
步骤s43：利用所述调制后力矩信号与所述阻尼系数做乘法获得所述负反馈信号。
[0035]
实施例2图5是本发明实施例2提供的一种自适应补偿pwpf调制的时间与开关次数曲线图。
[0036]
图5中的四条曲线分别为加进阻尼系数k
11
、k
12
、k
13
以及k
14
后的pwpf调制的时间与开关次数曲线图，该阻尼系数k
11
、k
12
以及k
13
为根据输入的控制力矩信号与rcs额定力矩的比值e进行运算得出，k
14
为固定值0.7。其中，k
11
、k
12
以及k
13
的算式分别为：；；；式中，k
11
、k
12
以及k
13
为所述阻尼系数，e为所述控制力矩信号与rcs额定力矩的比值。
[0037]
本发明实施例中，k
11
可以作为最优的自适应阻尼系数，从而使自适应补偿pwpf调制在相同时间内的开关次数更低。
[0038]
图6是本发明实施例2提供的一种pwpf调制的输入幅值与脉宽的曲线图。
[0039]
图6中的三条曲线分别为加进阻尼系数k
11
的自适应补偿pwpf调制的输入幅值与脉宽的曲线，加进固定阻尼系数k
14
的pwpf调制的输入幅值与脉宽的曲线，以及无阻尼系数的pwpf调制的输入幅值与脉宽的曲线。当输入e在（0.05，0.55）范围内变化时，由于采用了阻尼系数k
11
，随着输入e的变化，阻尼系数也随之进行重构，因此自适应阻尼可以明显拓展pwpf调制的脉宽，该特性比固定阻尼系数为0.7时优越。而输入e在（0.55,1）范围内变化时，使脉宽曲线更加平滑。因此可以利用该阻尼系数k
11
对高超声速飞行器rcs系统进行调制，达到降低rcs系统推力器开关机次数降低的目的。
[0040]
实施例3图7是本发明实施例3提供的一种飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制装置的结构示意图。
[0041]
该飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制装置700包括：阻尼系数计算模块710，用于接收控制力矩信号，利用所述控制力矩信号通过自适应阻尼系数算法运算，获得阻尼系数，将所述阻尼系数作为脉宽脉频调制的负反馈回路的阻尼环节的系数；力矩信号调制模块720，用于利用所述控制力矩信号进行脉宽脉频调制，获得调制后力矩信号，而脉宽脉频调制中的负反馈信号利用所述阻尼系数与所述调制后力矩信号进行乘法运算获得。
[0042]
如图8所示，该力矩信号调制模块720包括：一阶惯性单元721，用于接收所述负反馈信号，利用所述负反馈信号以及所述控制力矩信号进行一阶惯性处理，获得一阶惯性信号；继电处理单元722，用于利用所述一阶惯性信号进行继电处理，获得所述调制后力矩信号；阻尼单元723，用于利用所述调制后力矩信号与所述阻尼系数做乘法获得所述负反馈信号。
[0043]
本发明实施例中，上述各个模块以及各个单元更加详细的功能描述可以参考前述实施例中相应部分的内容，在此不再赘述。
[0044]
此外，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括存储器和处理器，存储器可用于存储计算机程序，处理器通过运行所述计算机程序，从而使计算机设备执行上述方法或者上述飞行器rcs的自适应补偿pwpf调制装置中的各个模块的功能。
[0045]
存储器可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序（比如声音播放功能、图像播放功能等）等；存储数据区可存储根据计算机设备的使用所创建的数据（比如音频数据、电话本等）等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
[0046]
本实施例还提供了一种可读存储介质，用于储存上述计算机设备中使用的计算机程序。
[0047]
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0048]
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。
[0049]
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器（rom，read-only memory）、随机存取存储器（ram，random access memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0050]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

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