一种基于阳极电流的抗干扰高精度贮供流量控制方法及系统与流程

1.本发明涉及航天器电推进技术领域，主要应用于电推进系统贮供推进剂的高精度微小流率供给领域，特别是针对空间较强电磁干扰和冷热交变频繁的复杂空间环境下，采用一种阳极电流直接进行高精度贮供流量控制方法及系统。


背景技术：

2.电推进作为一种先进的推进技术，由于其高比冲的优势，在先进国家的卫星平台上已经得到日渐广泛的应用。除了应用在长寿命通讯卫星上以提高卫星平台性能外，电推进更能以较低代价完成常规推进系统难以完成的任务，例如一箭多星的异面快速组网、低轨导航增强与insar卫星编队等需要大δv任务。因此，电推进系统的工程应用，不仅可以节约推进剂、提高卫星寿命，对于未来大规模商业低轨组网任务具有重要的经济效益。电推进系统正常工作时需要具备长时间保持高精度稳态推力输出的能力，这就要求电推进系统的贮供单元在不同工作环境下均能够实现精度较高推进剂流率供给。目前电推进系统的推进剂供给控制主要是基于压力传感器的压力控制或热节流器，以及二者组合方式来实现工质流量流率的稳定控制，考虑到单独使用热节流器精度较差，在具体的控制方式上目前多以压力控制并结合热节流器共同实现流量稳定控制，主要通过压传测量压力作为控制输入来调节比例阀下游流量压力的实现稳定流率mg/s的输出。在这类基于压力控制中采用的压力传感器是一种灵敏度较高的测量单元，极易受到压传温漂或者外部电磁等干扰，造成压传测量精度降低或输出波动甚至不可用，因此基于传统压传的控制方式很难适应复杂空间环境下持续流量流率高精度稳定控制的需求。
3.诸如sar卫星、导航增强和低轨通信卫星等这类自身电磁辐射情况比较复杂的航天器，一方面对要求电推进系统具备较高推力稳定度输出的能力，另一方面平台载荷工作时让电推进所处的空间电磁环境变得比较复杂，极易造成压传受到干扰而使得输出精度降低甚至不可用。而基于传统压力传感器压力控制很难实现上述电磁辐射和空间冷热交变等复杂环境下的高精度流量持续调节，因此电推进系统必须具有一种面向复杂空间环境的抗干扰高精度流量控制能力。
4.为了实现航天器在上述复杂空间环境下电推进系统对推进剂供给流率高精度、抗干扰、快速实时调节的要求，并考虑阳极电流自身信号在高频存在干扰，且无法直接测量阳极电流变化率，针对上述特点，本发明提出了一种基于阳极电流的高精度抗干扰流量控制方法及系统。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是：针对空间电磁干扰和冷热交变频繁等复杂环境，克服现有流量控制技术的不足，提出了一种基于阳极电流的抗干扰高精度贮供流量控制方法及系统，解决了电推进系统在复杂空间环境下压传失效时并要求工质流量流率依然长时间保持高精度调节的问题，实现了电推进系统在压传受干扰情况下依然对推进剂流率具备高精
度、容错、快速调节等能力，具有调节精度高、鲁棒性高、适用范围广、抗干扰等优点。
6.一种基于阳极电流的抗干扰高精度贮供流量控制方法，包括：
7.(1)在电推进系统多模式典型工况下获得阳极电流和流量之间的线性映射关系；
8.(2)根据航天器实际轨控推力需求并结合阳极电流与流量之间映射关系，换算得到多模式电推进系统流量控制对应的电流目标值pda0；
9.(3)计算高精度流量控制对应增量式pd控制器的比例项kpi，将ad数采系统输出的阳极电流经过一个12阶fir滤波，获得消除高频噪声的阳极电流滤波值pafi，于是得到高精度流量控制的阳极电流偏差pdai＝pa0-pafi，则控制比例项kpi＝kp
×
pdai，其中，kp为增量式pd控制器的比例系数，整数i表示控制周期序号；
10.(4)计算高精度流量控制对应增量式pd控制器的微分项kdi，利用扩张状态线性微分估计器进行阳极电流变化率dai估计，则微分控制项kdi＝kd
×
dai，其中，kd为增量式pd控制器微分系数；
11.(5)计算高精度流量控制对应的电磁比例阀增量控制电流值：
12.pii＝kpi+kdi；
13.(6)将电磁比例阀增量控制电流值pii转换为驱动电流值idi，并输出至电磁比例阀；
14.(7)控制电磁比例阀根据驱动电流值idi调节输出流率，实现电磁比例阀下游流量的高精度控制。
15.优选地，进行所述步骤(1)之前还包括步骤：打开电磁比例阀上游的自锁阀和下游电磁阀，以及电磁比例阀快速打开的暂态过程。
16.一种基于阳极电流的抗干扰高精度贮供流量控制系统，包括电磁比例阀、阳极电源电流ad数采器、增量式pd数字控制器、fir滤波与平滑器、阳极电流变化率线性扩张状态微分估计器，其中：
17.电磁比例阀，根据驱动控制电流值idi调节电推进工质输出流率，实现电磁比例阀下游流量的高精度控制；
18.阳极电源电流ad数采器，在测量控制周期内采集电推进系统的阳极电流值，并去掉最大和最小值，完成采样过程中野值剔除，最后求均值后输入给fir滤波与平滑器；
19.fir滤波与平滑器，对阳极电流采样值进行频谱分析后，选取合适的截止频率实现一个12阶fir低通平滑滤波器，将阳极采样电流中高频噪声进行滤除，获得信噪比更好的阳极电流滤波值pafi用于增量式pd控制器输入；
20.阳极电流变化率线性扩张状态微分估计器，首先将阳极电流在比例阀流量控制过程等效成一个二阶系统，然后设计一种线性扩张状态观测器，即将阳极电流、阳极电流变化率及扰动信息作为扩张状态观测器的估计状态：
[0021][0022][0023]
其中变量x为阳极电流值，为x的估计滤波值，ω为过程所有干扰项，u为控制输入，这里将观测器增益阵l的特征方程的极点放置在同一个频点上，并要求大于控制频率之上；
[0024]
增量式pd数字控制器，基于阳极电流与流量的线性映射关系，将航天器轨道机动
所需推力进行换算，得到多模式电推进系统高精度流量所需电流控制目标值pda0，进而计算控制周期内高精度流量控制对应的增量式pd控制器比例项kpi；
[0025]
计算控制周期内高精度流量控制对应的pd控制器微分项，利用扩张线性估计器得到的阳极电流变化率dai，计算得到当前控制周期内高精度流量控制对应的增量式pd控制器微分项kdi，最后解算出高精度流量控制对应的电磁比例阀电流控制值idi；
[0026]
idi＝idi-1+pii，
[0027]
其中，idi-1为相邻的前一次控制周期计算得到电磁比例阀电流控制值，pii为电磁比例阀电流增量控制值，将电磁比例阀电流控制值idi输出至电磁比例阀；
[0028]
所述的控制周期内高精度流量控制对应的电磁比例阀电流增量控制值pii需进行限幅：即|pii|≤5。
[0029]
优选地，还包括自锁阀，电磁阀，电磁比例阀快速开启暂态过程，隔离或启动向电磁比例阀输送输入阳极电流控制偏差。
[0030]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0031]
(1)本发明基于阳极电流的电磁比例阀流量控制方法相比现有技术，解决了电推进系统在电磁干扰和冷热交变频繁下要求流量持续稳定高精度调节问题，具有流量调节精度高、抗干扰、灵活等优点；
[0032]
(2)本发明采用增量式pd控制方法，解决了电磁比例阀的非线性问题，实现了开启响应时间短、高精度、稳定控制，鲁棒性高，可实现输入压力0.5～15mpa，输出压力0.12～0.5mpda，输出流量控制精度优于1％；
[0033]
(3)本发明采用了一种线性扩张状态的微分估计器可实现阳极电流变化率的估计，而不会对阳极电流噪声进行放大，保证了阳极电流控制器的收敛性；
[0034]
(4)本发明采用一种fir滤波可对阳极采样电流值进行较好的高频噪声滤除，同时对阳极电流采样值进行平滑，通过滤波发散判断能对阳极点火暂态过程电流估计进行控制，避免了阳极电流因快速变化带来的滤波值失真问题；
[0035]
(5)本发明给出的直接采用阳极电流进行高精度贮供流量控制方法在电推进系统压传不可用的情况下，则可采用阳极电流方式实现工质流量高精度调节，保证电推进系统的稳态推力持续输出，因此基于阳极电流的贮供流量控制方法相比较于仅有压传的流量控制方法，拥有更强的容错能力和更好的可靠性；
[0036]
(6)本发明采用的增量式pd数字控制器、fir滤波器和线性扩张状态微分估计器，可通过调整软件参数，灵活改变增量式pd控制器、fir滤波器和线性扩张状态微分估计器的参数，以适应于电推进系统的不同工况控制要求，具有在轨功能重构、使用简便、灵活的优点。
附图说明
[0037]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0038]
图1为本发明中基于电磁比例阀的阳极电流控制方案原理图。
具体实施方式
[0039]
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描
述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0040]
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
[0041]
本发明克服现有技术的不足，提供了一种基于阳极电流的抗干扰高精度贮供流量控制方法及系统，解决了在空间电磁干扰和冷热交变等条件下电推进系统的推进剂流率无法维持长时间高精度调节的问题，实现了多模式电推进系统的推进剂流率高精度、变流量快速调节，具有简便、抗干扰高、精度高的优点。
[0042]
一种直接采用阳极电流进行高精度贮供流量控制方法及系统，包括如下步骤：
[0043]
(1)在控制周期内采样电推进系统阳极电流，首先去掉采样最高值和最低值，然后计算采样平均值；
[0044]
(2)将原始采样平均值输入到一个12阶fir滤波器，滤掉高频噪声获得变化平滑的阳极电流滤波值pafi；
[0045]
(3)将阳极电流滤波值作为一个将阳极电流状态变化等效的二阶模型估计器输入，观测器增益阵l特征方程的极点放置在同一个频点ω上，并要求大于增量式pd控制频率之上，增益阵l计算公式如下：
[0046][0047]
最终等效的二阶状态方程的离散形式如下：
[0048][0049]
其中：
[0050][0051][0052]
这里h为控制周期，β＝e-ωh，ω为观测器带宽，一般要求大于增量式pd控制频率，b0由系统阶跃响应的初始加速度导出来的，本发明中b0取0.9。估计变量z包含了阳极电流、阳极电流变化率和所有内外扰动项，ud是电磁比例阀的控制电流。考虑到阳极点火暂态过程会出现较大电流变化，因此在对阳极电流变化率估计时加入了估计器发散与否判断，即通过前后相邻两个周期内流量变化率估计误差的乘积如果连续10个周期均大于0，则认为上述线性估计处于发散趋势，应重新调整观测阵特征值位置或重置扩张状态微分估计器，亦即通过调整观测器带宽ω。
[0053]
(4)利用阳极电流与流量标定的线性映射关系，得到高精度流量流率调节所需的
阳极电流控制目标值pa0，结合前面线性估计器获得的当前控制周期内电推进系统流量控制前阳极电流滤波值pafi，进而得到当前周期内阳极电流控制偏差pdai＝pa0-pafi，其中整数i为控制周期序数，则高精度流量控制对应的pd控制器比例项为kp
×
pdai，kp为pd控制器的比例控制系数；
[0054]
(5)计算当前控制周期内高精度流量控制对应的增量式pd控制器微分项，以fir滤波器的阳极电流滤波值作为输入，利用线性扩张状态微分估计器进行阳极电流变化率dai估计，则微分控制项kdi＝kd
×
dai，其中，kd为增量式pd控制器微分系数；
[0055]
(6)所述的计算得到控制周期内高精度流量控制对应的电磁比例阀增量控制电流值pii＝kp
×
pdai+kd
×
dai，同时对增量控制电流进行限幅：即|pii|≤5。
[0056]
(7)计算第i个控制周期内高精度流量控制对应的电磁比例阀电流控制值idi，然后将电磁比例阀电流控制值idi输出至电磁比例阀；
[0057]
(8)控制电磁比例阀根据驱动电流值idi调节输出流率，实现电磁比例阀下游流量的高精度控制。
[0058]
所述的步骤(1)前还包括步骤：打开比例电磁阀上游的自锁阀和下游的电磁阀，以及对电磁比例阀快速打开的暂态过程。
[0059]
自锁阀用来隔离或启动输入压力向电磁比例阀输送；电磁比例阀用来实现输出流量调节；电磁阀用来实现下游氙气工质的供给关断与打开；阳极电流数采器用来采集阳极电源输出电流，并反馈给增量式pd数字控制器；fir滤波器用来滤除原始阳极电流采样值中高频噪声；扩张状态线性微分估计器用来对阳极电流变化率进行估计；增量式pd数字控制器通过复合pd控制算法来获得流量高精度控制电流。
[0060]
所述的步骤(4)中当前控制周期内高精度流量控制对应的阳极增量控制电流偏差计算方法为：
[0061]
若|pdai|《0.005，则当前控制周期内高精度流量控制对应的阳极增量控制电流偏差pdai＝0，否则若|pdai|≥0.1，则pdai＝0.1。
[0062]
所述的步骤(7)中当前控制周期内高精度流量控制对应的电磁比例阀电流控制值idi的计算方法为：
[0063]
idi＝idi-1+pii，其中idi-1为相邻前一次控制周期计算得到电磁比例阀控制值。
[0064]
一种基于电磁比例阀的高精度流量控制系统，包括电磁比例阀、阳极电源电流ad数采器、fir滤波与平滑器、阳极电流变化率扩张状态线性估计器、增量式pd数字控制器，其中：
[0065]
电磁比例阀，控制电磁比例阀根据驱动电流值idi调节电推进工质输出流率，实现电磁比例阀下游流量的高精度控制；
[0066]
阳极电源电流ad数采器，在测量控制周期内采集电推进系统的阳极电源电流值，并去掉最大和最小值用于剔除采样过程中野值，再求平均值后输入给fir滤波与平滑器；
[0067]
fir滤波与平滑器，通过对阳极电流采样值进行频谱分析后，选取合适的截止频率设计一个12阶的fir低通平滑滤波器，将阳极采样电流中的高频部分进行滤除，获得信噪比更好的阳极电流滤波值pafi用于增量式pd控制器的输入；
[0068]
阳极电流变化率扩张状态线性估计器，首先将阳极电流受比例阀流量控制的变化过程等效成一个二阶系统，然后设计一类线性扩张状态观测器，即将阳极电流、阳极电流变
化率及扰动信息作为扩张状态观测器估计状态。
[0069][0070][0071]
其中变量x为阳极滤波电流，为x的估计滤波值，ω为所有干扰项，u为电磁比例阀控制电流输入，这里将观测器增益阵l的特征方程的极点放置在同一个频点上，并要求大于控制频率；
[0072]
增量式pd数字控制器，基于阳极电流与流量的线性映射关系，将航天器轨道机动所需推力进行换算，得到多模式电推进系统高精度流量所需电流控制目标值pda0，进而计算控制周期内高精度流量控制对应的增量式pd控制器比例项kpi。
[0073]
计算控制周期内高精度流量控制对应的pd控制器微分项，利用扩张线性估计器得到的阳极电流变化率dai，计算得到当前控制周期内高精度流量控制对应的增量式pd控制器微分项kdi。
[0074]
所述的高精度流量控制对应的电磁比例阀电流控制值idi；
[0075]
idi＝idi-1+pii，
[0076]
其中，idi-1为相邻的前一次控制周期计算得到电磁比例阀电流控制值，pii为电磁比例阀电流增量控制值，将电磁比例阀电流控制值idi输出至电磁比例阀；
[0077]
所述的控制周期内高精度流量控制对应的电磁比例阀电流增量控制值pii需进行限幅：即|pii|≤5。
[0078]
此外还包括自锁阀实现高压隔离，电磁阀控制阴阳两极流量关断与开通，向电磁比例阀输送输入阳极电流控制偏差。
[0079]
本发明一种基于电磁比例阀的高精度流量控制方法，包括如下步骤：
[0080]
(1)打开比例电磁阀上游的自锁阀和下游的电磁阀；
[0081]
(2)通过地面标定的电磁比例阀与控制电流之间的映射关系，通过设置开环控制电压值id0，让电磁比例阀迅速开启；
[0082]
(3)假设航天器多模式电推进系统阳极电流控制目标值数字量为pa0；
[0083]
(4)在测量控制周期内采集电推进系统的阳极电流值，去掉最大和最小值用于剔除采样过程中野值，再求平均值后输入给fir滤波与平滑器；
[0084]
(5)经过fir滤波后获得第i次航天器多模式电推进系统高精度流量控制前的实际压力滤波值pafi，由此可计算出当前压力值与目标值的偏差pdai＝pa0-pafi，整数i为控制周期序数，此外若|pdai|《0.005，则当前控制周期内高精度流量控制对应的阳极增量控制电流偏差pdai＝0，否则若|pdai|》0.1，则pdai＝0.1；
[0085]
(6)计算第i个周期内高精度流量控制对应的pd控制器的比例项kpi＝kp
×
pdai，kp为pd控制器的比例控制系数；
[0086]
(7)利用扩张状态线性估计器得到的阳极电流变化率dai，并进行发散与否判断，如果发散则重置线性估计器状态；
[0087]
(8)计算得到当前控制周期内高精度流量控制对应的增量式pd控制器微分项kdi＝kd
×
dai，其中，kd为增量式pd控制器微分系数；
[0088]
(9)计算控制周期内电磁比例阀电流增量控制值pii＝kpi+kdi，则电磁比例阀控
制电流值idi＝idi-1+pii，其中，idi-1为相邻的前一次控制周期计算得到电磁比例阀电流控制值，输出至电磁比例阀；
[0089]
(10)电磁比例阀在驱动电流值idi的驱动下调节阀门开合度，改变电磁比例阀的输出流率，从而实现比例阀下游流量的高精度控制，进而完成航天器多模式电推进系统的高精度稳态推力输出。
[0090]
在整个流量控制过程中，每一个控制周期都重复上述步骤(1)～(10)。
[0091]
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于阳极电流的抗干扰高精度贮供流量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在电推进系统多模式典型工况下获得阳极电流和流量之间的线性映射关系；(2)根据航天器实际轨控推力需求并结合阳极电流与流量之间映射关系，换算得到多模式电推进系统流量控制对应的电流目标值pda0；(3)计算高精度流量控制对应增量式pd控制器的比例项kpi，将ad数采系统输出的阳极电流经过一个12阶fir滤波，获得消除高频噪声的阳极电流滤波值pafi，于是得到高精度流量控制的阳极电流偏差pdai＝pa0-pafi，则控制比例项kpi＝kp
×
pdai，其中，kp为增量式pd控制器的比例系数，整数i表示控制周期序号；(4)计算高精度流量控制对应增量式pd控制器的微分项kdi，利用扩张状态线性微分估计器进行阳极电流变化率dai估计，则微分控制项kdi＝kd
×
dai，其中，kd为增量式pd控制器微分系数；(5)计算高精度流量控制对应的电磁比例阀增量控制电流值：pii＝kpi+kdi；(6)将电磁比例阀增量控制电流值pii转换为驱动电流值idi，并输出至电磁比例阀；(7)控制电磁比例阀根据驱动电流值idi调节输出流率，实现电磁比例阀下游流量的高精度控制。2.根据权利要求1所述的一种基于阳极电流的抗干扰高精度贮供流量控制方法，其特征在于：进行所述步骤(1)之前还包括步骤：打开电磁比例阀上游的自锁阀和下游电磁阀，以及电磁比例阀快速打开的暂态过程。3.一种基于阳极电流的抗干扰高精度贮供流量控制系统，其特征在于，包括电磁比例阀、阳极电源电流ad数采器、增量式pd数字控制器、fir滤波与平滑器、阳极电流变化率线性扩张状态微分估计器，其中：电磁比例阀，根据驱动控制电流值idi调节电推进工质输出流率，实现电磁比例阀下游流量的高精度控制；阳极电源电流ad数采器，在测量控制周期内采集电推进系统的阳极电流值，并去掉最大和最小值，完成采样过程中野值剔除，最后求均值后输入给fir滤波与平滑器；fir滤波与平滑器，对阳极电流采样值进行频谱分析后，选取合适的截止频率实现一个12阶fir低通平滑滤波器，将阳极采样电流中高频噪声进行滤除，获得信噪比更好的阳极电流滤波值pafi用于增量式pd控制器输入；阳极电流变化率线性扩张状态微分估计器，首先将阳极电流在比例阀流量控制过程等效成一个二阶系统，然后设计一种线性扩张状态观测器，即将阳极电流、阳极电流变化率及扰动信息作为扩张状态观测器的估计状态：扰动信息作为扩张状态观测器的估计状态：其中变量x为阳极电流值，为x的估计滤波值，ω为过程所有干扰项，u为控制输入，这里将观测器增益阵l的特征方程的极点放置在同一个频点上，并要求大于控制频率之上；增量式pd数字控制器，基于阳极电流与流量的线性映射关系，将航天器轨道机动所需推力进行换算，得到多模式电推进系统高精度流量所需电流控制目标值pda0，进而计算控
制周期内高精度流量控制对应的增量式pd控制器比例项kpi；计算控制周期内高精度流量控制对应的pd控制器微分项，利用扩张线性估计器得到的阳极电流变化率dai，计算得到当前控制周期内高精度流量控制对应的增量式pd控制器微分项kdi，最后解算出高精度流量控制对应的电磁比例阀电流控制值idi；idi＝idi-1+pii，其中，idi-1为相邻的前一次控制周期计算得到电磁比例阀电流控制值，pii为电磁比例阀电流增量控制值，将电磁比例阀电流控制值idi输出至电磁比例阀；所述的控制周期内高精度流量控制对应的电磁比例阀电流增量控制值pii需进行限幅：即|pii|≤5。4.根据权利要求3所述的一种基于阳极电流的抗干扰高精度贮供流量控制系统，其特征在于：还包括自锁阀，电磁阀，电磁比例阀快速开启暂态过程，隔离或启动向电磁比例阀输送输入阳极电流控制偏差。

技术总结
本发明提出一种基于阳极电流的抗干扰高精度贮供流量控制方法及系统，首先通过地面标定获得霍尔电推进系统多模式典型工况下的工质流量与阳极电流之间的线性映射关系，根据实际轨控机动推力所需流量并结合上述映射关系，换算得到需要的阳极电流控制目标值，通过AD数采系统获得电推进系统中电源与管理控制单元的阳极电源电流值。解决了电推进系统在复杂空间环境下压传失效时并要求工质流量流率依然长时间保持高精度调节的问题，实现了电推进系统在压传受干扰情况下依然对推进剂流率具备高精度、容错、快速调节等能力，具有调节精度高、鲁棒性高、适用范围广、抗干扰等优点。抗干扰等优点。抗干扰等优点。


技术研发人员：潘海林 王培民 温凡 刘琪
受保护的技术使用者：北京星辰空间科技有限公司
技术研发日：2022.02.14
技术公布日：2022/5/25