24、火箭自动控制技术解析

火箭自动控制技术解析

1. 火箭滚转控制中的滞后补偿器

在火箭的滚转控制系统里，滞后补偿器起着关键作用。它在频率范围 0.2 ≤ ω ≤ 10 rad/s 内可使增益降低 14 dB，并且在 ω = 2 rad/s 附近会出现 -42° 的相位下降。

在模拟时，噪声强度通过在带限白噪声模块中将噪声功率谱密度设定为 10⁻⁴ rad 来确定，这大致对应 0.573° 的角分辨率。一个配备光学角度编码器的优质惯性测量单元（IMU）能产生约为此值五分之一的分辨率。不过，对这种粗略测量进行模拟，能揭示闭环系统的鲁棒性。噪声采样间隔保守地选为 0.1 s，这仅为执行器时间常数的一半。

对比有无滞后补偿器的闭环系统响应，可发现滞后补偿器显著改善了闭环转矩输入的平滑性，同时使峰值滚转率略有降低，只是稳定时间增加了 2 - 3 s。

2. 火箭俯仰 - 偏航控制

2.1 重力转弯轨迹

大型火箭通常设计为在垂直平面内飞行，利用重力分量自然提供机动所需的法向加速度，这种轨迹被称为重力转弯轨迹。为实现重力转弯飞行，需将攻角和侧滑角保持为零，这就要求俯仰角与飞行路径角相匹配。

控制任务是通过消除滚转和偏航运动，使火箭的纵向平面（或俯仰平面）与飞行垂直平面对齐，同时通过万向节产生所需的俯仰速率。给定任务的标称轨迹可预先计算并存储在火箭上，也可通过地面站的无线电链路提供给火箭。

2.2 相关方程

在垂直平面内，相对于以球形行星中心为原点的行星固定坐标系，零升力平移的方程如下：
[
\begin{cases}
\dot{r} = v \sin \ga