航天着陆试验场指挥控制系统设计与实现

指挥控制系统是航天着陆试验场不可或缺的一部分,完成试验指挥、控制、管理、视频监控、数据分析与处理、故障判别、仿真、授时、通信等功能。文章所介绍的某航天着陆试验场指挥控制系统,由时统子系统、通信子系统、语音调度子系统、视频监控子系统、大屏幕投影显示子系统、数据处理与存储子系统、指令发控台、指显工作站、软件等组成。系统结构采用双机双网并行工作模式设计。作为数据传输核心的通信子系统,采用双网热备路径冗余设计;作为数据处理与指令发布核心的处理服务器、数据库服务器和控制计算机,设计上都采用了双机并行技术。实践证明,上述技术的运用从系统结构上避免了由于单点故障而引起的系统宕机,提高了系统的可靠性和安全性。     

涡轮泵典型故障仿真与辨识系统设计

涡轮泵是液体火箭发动机的关键部件,工作环境恶劣,故障率较高。特别是复杂高温、高压燃料冲击的转子系统,极易发生不平衡、不对中和叶片掉块故障。迫切需要探究涡轮泵转子常见的故障机理,阐明故障特征,建立典型故障的辨识系统。通过分析故障力模型,分别建立了考虑转子不平衡、不对中和叶片掉块的动力学模型,确定涡轮泵转子振动特征,明确转子时域、频域信号以及轴心轨迹。进一步搭建基于Matlab GUI平台的涡轮泵典型故障仿真与辨识系统,并对测试数据开展处理。研究表明,不平衡故障时域波形为正弦曲线,1倍频占优,椭圆形轴心轨迹;不对中故障时域波形由2组不同的正弦曲线组成,2倍频占优,“内8”形轴心轨迹;叶片掉块时域波形存在突变现象,1倍频占优,轴心轨迹在掉块发生前稳定,掉块发生后较为杂乱。结果表明,信号频域特征是故障辨识的关键,辅以时域特征,能准确辨识出3种典型故障,该系统能够为涡轮泵转子故障辨识设计提供技术支撑。     

考虑状态约束的弹性高超声速飞行器自适应饱和容错控制

针对弹性高超声速飞行器跟踪控制问题进行研究,主要考虑状态约束、输入饱和、执行器故障等约束条件.首先,将弹性模态、外界干扰和模型参数不确定性归结为一类带有未知上界的系统干扰.其次,根据被动容错思想,针对速度和高度子系统分别设计抗饱和自适应容错控制器,通过引入双曲正切函数和新型屏障李雅普诺夫函数分别处理了输入饱和与状态约束...     

模拟平流层环境的加载试验风洞测试与控制系统设计

根据模拟平流层环境加载试验风洞的设计要求,对其测试与控制系统进行了设计。通过搭建风洞控制子系统、数据采集子系统和安全与报警子系统,实现了对试验风洞中的设备开关、压力、温度和风速等的精确控制,同时具有系统运行各项参数的实时采集和记录、故障处理以及自动报警等功能。测试结果表明,系统的各项参数控制精度高,压力偏差小于0.2 kPa、温度波动小于1.5 ℃,模拟平流层环境加载试验风洞运行稳定、安全可靠。     

一类不确定非线性系统的滑模PI混合模糊控制

对于一类具有不确定性扰动的非线性系统，提出了一种结合滑模控制与比例积分控制的模糊逻辑控制器。首先给出该系统稳定的充分条件，分析其稳定性，然后针对一种空间飞行器的非线性动力学模型，通过变换分解成若干个子系统，进而对每个子系统进行分散自适应控制。仿真说明此控制器对具有不确定性干扰的非线性系统有非常理想的控制效果。     

故障检测中的一种鲁棒自适应阈值方法

对于一类带有模型不确定性、噪声干扰的线性系统，研究了其故障检测中的阈值设计问题。建立了残差与模型不确定性、噪声、控制输入、故障之间的关系；提出了基于信号L2范数与系统H∞范数的鲁棒自适应闯值设计方法；针对其检测率低的问题，进一步基于概率鲁棒的思想，对模型不确定性与残差引入了截尾高斯分布这一“软边界”描述方式；在此基础上所设计的阈值兼顾了检测率和虚警率两方面的要求，考虑了模型不确定性与噪声的影响，能够跟随控制输入信号的变化，具有较好的鲁棒性和自适应性。     

直接力/气动力拦截弹复合逻辑与复合控制系统设计

以大气层内拦截弹直接侧向力和气动力的复合控制系统为研究对象,首先设计了轨控复合控制逻辑,然后建立了复合控制模型,并将复合系统分解为直接侧向力子系统和气动力子系统,用经典控制理论设计了气动力子系统,用模糊控制理论设计了直接力子系统。仿真结果表明:所设计的复合控制逻辑合理;基于模糊逻辑的直接力子系统可有效避免点燃发动机数量过多而需要反向点火情况的发生;与气动力系统相比,复合控制系统性能有较大提高。     

双模冗余网络服务器仲裁子系统设计

传统的双模冗余容错计算系统具有故障定位不准的致命缺点。本文在传统双模冗余系统的基础上设计了一个高可用的仲裁子系统进行故障定位。该子系统采用高可靠的三模表决的系统结构 ,采用非相似余度三总线进行子系统内部同步通信 ,并且应用SOC芯片和CPLD技术 ,采用热插拔的设计方案 ,从而保证子系统的可靠性和可用性     

嫦娥一号卫星飞行事件的系统级FMEA

嫦娥一号卫星系统级FMEA采用从上到下的分析方法,对飞行事件中可能发生的故障,以及故障发生的原因、故障影响和在轨补偿措施等进行了分析;对嫦娥一号卫星系统级FMEA的特点、工作流程和分析步骤等几方面进行了阐述;并总结了嫦娥一号卫星系统级FMEA结果和工作体会,为进一步开展系统级FMEA研究和应用提出了建议。     

执行器故障卫星的自适应模糊滑模容错控制

针对卫星控制系统执行器故障,考虑干扰与不确定性影响,设计了一种自适应模糊滑模容错控制器(AFSMC)。首先,将执行器故障、干扰以及模型不确定性统一描述为系统的广义总干扰;然后,为使系统能够在有限时间内快速稳定且避免奇异,设计了非奇异快速终端滑模控制器(NFTSMC);其次,针对滑模系统固有的抖振现象,设计了自适应算法对系统广义总干扰进行补偿,减小了切换增益,并以自适应模糊系统逼近切换函数,柔化了输入信号,从而有效削弱了系统抖振,大大提高了控制精度;最后,对所提方法进行了数值仿真验证。     

运载火箭推力故障不确定性下轨迹可达包络分析

针对运载火箭突发推力故障且故障存在不确定性的轨迹设计问题,提出了一种基于状态转移张量法(STT)的故障火箭轨迹可达包络分析方法。首先,建立了推力故障火箭的运动模型,通过构建故障火箭轨迹重规划问题,基于序列二次规划法获得了不考虑故障不确定性的重规划轨迹; 其次,基于线性协方差对非线性系统的不确定性传播进行建模,并对模型进行线性化,在此基础上提出了基于SST的运载火箭轨迹可达包络分析方法; 最后,通过与多次蒙特卡洛仿真对比验证所提方法在运载火箭轨迹可达包络定量分析中的有效性。     

飞行试验遥测地面站(FTTGS)方案和 QUAD 7系统(上)

飞行试验遥测地面站(FTTGS)由 SNEC 遥测接收子系统;QUAD7实时数据采集/处理子系统和 VAX4300主计算机子系统三大部分组成。遥测接收子系统包括 S 波段自动跟踪天线2通道接收机全向天线,校准天线等众多部件,跟踪速≥30°/s。瞄准精度≤0.1°,工作风速达100km/h;VAX4300计算机系统提供了8VUPS的 CPU 性能。最大主存容量为224MB,最大海量存贮器容量为28GB,I/O 吞吐量高达11.2MB/S;QUAD 7子系统是一个先进的,高性能的数据采集/处理系统,能采集、处理、分配 PCM、PCM-1553、MIL-STD-1553,并行数字,数字离散量和模似量等各类数据,能模拟和监视数据流,能提高可编程的处理,快速建库、编辑动态数据库。文中对各子系统的结构、工作方式、技术规范和有关问题作了介绍,附结构图2幅。列出了有关数据。     

利用奉献观测器诊断红外地球敏感器故障的新方法

卫星闭环控制系统中不同敏感器的故障定位是自主故障诊断的难点。基于双观测器的方法能够分离光学敏感器和惯性敏感器的故障,却仍不能确定红外地球敏感器是否发生故障。奉献观测器适用于敏感器系统的故障定位,但由于该方法要求的能观性条件在实际工程中有时难以满足,使其应用受到限制。本文提出了一种利用奉献观测器诊断敏感器故障的新方法,先对不完全能观系统进行能观性分解,再对能观子系统设计奉献观测器,克服能观性条件的限制,实现敏感器故障诊断。最后,将该方法用于卫星红外地球敏感器的故障定位,仿真结果表明,该方法可有效诊断地球敏感器的故障。     

“伽利略”卫星在轨任务控制系统高级规范综述

重点描述了＂伽利略＂卫星在轨任务控制系统高级规范的相关内容,其中包括系统规范和子系统规范,如系统监测和控制子系统、遥测监测子系统、遥控指令子系统和数据归档子系统等;就如何借鉴＂伽利略＂卫星在轨任务控制系统高级规范,提出了一些开展我国星座卫星在轨任务控制系统设计的策略和方法,如设计方法、实现途径、自动化和安全策略等。     

基于反馈线性化的高速无人机自适应控制系统设计

高速无人机是典型的复杂非线性、参数不确定性系统,且各控制通道之间存在强耦合作用,这对飞行控制系统设计提出了严峻挑战。针对其非线性特性和耦合特性,采用精确反馈线性化理论将无人机动力学模型解耦为3个独立的子系统,即滚转、俯仰和偏航通道;应用模型参考自适应控制方法分别设计每个通道的姿态控制器。研究表明,上述线性化方法能够实现三通道解耦,所设计控制系统满足飞行控制性能要求,且对气动参数摄动和外部干扰具有较强的鲁棒性。     

卫星姿轨控系统故障推演系统设计架构

研究了目前的卫星姿态轨道控制系统,针对其故障预测、诊断及对策提出了一套故障推演系统设计方案.该方案由故障动态注入系统、动态模拟系统、数据归档显示处理系统组成,完成了对在轨卫星的电性接口一致性仿真,通过计算仿真遥测数据与真实遥测数据的相关量获得异常指标,得出可能出现的故障模式;通过软故障、硬故障和真实部件故障注入方式复现...     

无虚拟控制律的高超声速飞行器新型模糊控制

针对弹性体模型的吸气式高超声速飞行器(Air-breathing Hypersonic Vehicle; AHV)飞行过程中存在的外部未知扰动和不确定性,提出了一种无需虚拟控制律的新型模糊控制方法。首先,基于飞行器的纵向模型,将控制系统分解为速度子系统和高度子系统;然后对于每个子系统,仅采用一个模糊逼近器对系统的总不确定项进行逼近,摆脱了传统鲁棒控制对于精确模型的依赖,并保证系统的鲁棒性能。与含有虚拟控制律的传统反演控制相比,本文的虚拟控制律仅应用于系统稳定性分析,无需繁琐解算,仅按实际控制律需要执行。采用范数估计策略为模糊系统权系数参数向量的范数设计自适应律,保证了实时性的同时大大减少了逼近过程的学习量。最后通过仿真分析,在引入参数摄动的条件下,对系统输入的参考速度和参考高度进行跟踪控制,验证了控制器的鲁棒性和稳定性。     

基于四元数反馈线性化的飞行器姿态控制方法研究

空间飞行器姿态控制系统是一个非线性多输入多输出系统,其姿控执行机构的布局及工作特性决定了姿态控制的难易程度。针对飞行器以姿控发动机作为姿控执行机构时的大角度姿态运动需求,本文采用单位四元数作为弹体姿态描述,考虑到姿控发动机布局对姿态控制的影响,直接以姿控发动机推力作为系统的控制输入,利用反馈线性化方法,将原非线性系统转化为一个六阶线性子系统和一个一阶内动态子系统。在对内动态分析的基础上,针对线性子系统设计了四元数PD反馈控制律。在转动惯量不确定性以及轨控大干扰力矩存在的情况下,对闭环控制系统进行了大角度姿态运动数字仿真。仿真结果表明,本文所设计的姿控方法能够有效地实现飞行器大角度姿态控制,并对系统参数摄动及外部干扰具有较强的鲁棒性。     

真空羽流试验设备的负压液氮系统设计

真空羽流试验设备用于发动机真空羽流效应试验研究,同时兼顾卫星等热真空试验,对液氮系统有特殊要求。针对低至70 K液氮温度需求,设计一种全新的负压液氮系统,即利用液氮在负压下具有比常压液氮更低的饱和温度,来获得比常压液氮系统更低的液氮温度。该负压液氮系统主要由液氮输送子系统、常压过冷器子系统、负压抽气子系统、液氮泵子系统、热沉子系统及排放子系统组成,其中常压过冷器子系统和负压抽气子系统构成"负压过冷器",具有常压过冷器功能,供液温度可调,可为热沉提供70~77 K液氮制冷,满足发动机羽流及卫星热真空试验需求。     

基于自抗扰控制的弹头制导与控制一体化设计

针对弹头再入过程中存在的强耦合、快时变以及气动参数摄动引起的不确定性等问题,采用自抗扰控制(ADRC)技术设计了再入弹头制导与控制一体化系统。首先建立了含不确定性参数、外界随机扰动以及通道耦合因素的,具有级联形式的制导与控制一体化动力学系统。然后根据级联系统的自抗扰控制方法对系统控制器进行分层设计,各层控制器之间彼此关联构成一体化控制系统。自抗扰控制器内嵌的扩张状态观测器(ESO)可对子系统各通道内的综合不确定性进行实时观测,并在误差反馈控制量中予以动态补偿,从而实现了各通道间的解耦控制。计算结果表明:设计的一体化控制系统能够适应各种复杂飞行环境下的导引需求,控制系统具有良好的动态特性和很强的鲁棒性。