一种离子电推进系统推力宽调节器以及调节方法与流程

本发明属于离子电推进系统控制，涉及一种离子电推进系统推力宽调节器以及调节方法。

背景技术：

1、超低轨卫星一般轨道高度在300km以下，由于轨道低，大气阻尼相比高轨卫星高出几个数量级，轨道维持所需要的总冲比较高，传统的化学推进系统比冲低，无法满足超低轨卫星工作寿命期间的总冲要求，必须配置高比冲的电推进系统。同时，为了满足高分辨率光学成像或者重力梯度测量等一些任务需求，超低轨卫星对轨道控制精度提出了很高要求，需要推进系统具备推力宽范围高精度连续调节能力，以实时补偿大气阻力，实现轨道的高精度维持。

2、目前我国高轨卫星电推进系统主要采用单一工作点或者多工作点的模式，只能输出固定推力或者离散的2到3个推力工作点，其推力不具备宽范围连续调节能力，无法满足超低轨卫星大气阻力实时补偿的需求，必须突破电推进系统推力宽范围高精度连续调节技术。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对超低轨卫星大气阻力实时补偿的任务需求，提出了一种离子电推进系统推力宽调节器以及调节方法，解决了现有卫星电推进系统输出推力无法宽范围高精度调节的难题。

2、本发明解决技术的方案是：一种离子电推进系统推力宽调节器，该调节器包括推进剂流率控制器和电子电流控制器；

3、推进剂流率控制器，用于对注入离子推力器的推进剂流率进行前馈控制，使得注入离子推力器的推进剂流率稳定为流率前馈控制目标值；

4、电子电流控制器，用于对电子电流进行前馈控制，使得注入离子推力器的电子电流稳定为电子电流前馈控制目标值。

5、优选地，所述推进剂流率控制器包括流率前馈控制模型、流率反馈控制器、流率调节阀、流量传感器；

6、流率前馈控制模型，将离子推力器推力目标输出，换算为流率前馈控制目标值

7、流率反馈控制器，根据流率前馈控制目标值与流率调节阀输出端的流率之差，采用流率反馈控制律，对流率调节阀输出的流量进行闭环控制，使得注入离子推力器的推进剂流率稳定为流率前馈控制目标值；所述流率反馈控制律为pid控制律；

8、流量传感器，采集流率调节阀输出端的流率反馈给流率反馈控制器。

9、优选地，所述电子电流控制器包括电子电流前馈控制模型、电子电流调节电源；

10、电子电流前馈控制模型，将离子推力器推力目标输出，换算为电子电流前馈控制目标值ia0；

11、电子电流调节电源，根据电子电流前馈控制目标值ia0对注入离子推力器的电子电流进行调节，使得注入离子推力器的电子电流稳定为电子电流前馈控制目标值。

12、优选地，上述离子电推进系统推力宽调节器还包括推力控制器，所述推力控制器，进行推力闭环控制的同时调节离子推力器的磁场电流，使磁场强度跟随变化，从而改变推进剂电离率，推力器内部被加速的离子数量随着电离率变化而变化，最终实现推力的精确控制。

13、优选地，所述推力控制器包括推力反馈控制器、磁场调节电源、推力评估模型、电流传感器；

14、推力反馈控制器，根据离子推力器的目标推力值f0与实时推力值fb之差，采用推力反馈控制律，计算得到磁场电流调节目标值im0；

15、磁场调节电源，磁场电流调节目标值im0对离子推力器的磁场电流进行调节，使磁场电流im稳定为磁场电流调节目标值im0；

16、推力评估模型，根据离子推力器被加速离子的电流ib，计算得到实时推力值fb反馈至推力反馈控制器；

17、电流传感器，采集离子推力器被加速离子的电流ib发送至推力评估模型。

18、本发明的另一个技术方案是：一种离子电推进系统推力宽调节方法，该方法包括并行执行流率前馈控制步骤和电子电流前馈控制步骤；

19、流率前馈控制步骤采用前馈控制的方法，使注入离子推力器的推进剂流率稳定为流率前馈控制目标值；

20、电子电流前馈控制步骤采用前馈控制的方法使注入离子推力器的电子电流稳定为电子电流前馈控制目标值。

21、优选地，所述流率前馈控制步骤为：

22、采集流率调节阀输出端的流率

23、将离子推力器推力目标输出，换算为流率前馈控制目标值

24、根据流率前馈控制目标值与流率调节阀输出端的流率之差，采用流率反馈控制律，对流率调节阀输出的流量进行闭环控制，使得注入离子推力器的推进剂流率稳定为流率前馈控制目标值。

25、优选地，所述电子电流前馈控制步骤为：

26、将离子推力器推力目标输出，换算为电子电流前馈控制目标值ia0；

27、电子电流调节电源，根据电子电流前馈控制目标值ia0对注入离子推力器的电子电流进行调节，使得注入离子推力器的电子电流稳定为电子电流前馈控制目标值。

28、优选地，上述离子电推进系统推力宽调节方法还包括如下推力反馈闭环控制步骤：

29、采集离子推力器被加速离子的电流ib；

30、根据离子推力器被加速离子的电流ib，计算得到实时推力值fb；

31、根据离子推力器的目标推力值f0与实时推力值fb之差，采用推力反馈控制律，计算得到磁场电流调节目标值im0；

32、磁场调节电源，对离子推力器的磁场电流进行调节，使磁场电流im稳定为磁场电流调节目标值im0。

33、优选地，所述推力反馈控制律为pid控制律。

34、本发明与现有技术相比的有益效果是：

35、(1)、本发明通过一套控制器系统实现了流率和电子电流的前馈控制以及推力的反馈控制，兼顾了推力宽范围调节和高精度控制两方面的需求，解决了现有离子电推进系统推力无法宽范围高精度调节的问题。

36、(2)、本发明引入了推力反馈闭环控制，可以补偿外部扰动或长寿命工作性能衰退造成的推力变化，推力输出稳定性好，抗干扰能力强。

37、(3)、本发明推力的反馈闭环控制无需进行复杂的系统辨识，采用常规的pid控制律，对推力输出模型的先验知识没有要求，工程上容易实现。

技术特征：

1.一种离子电推进系统推力宽调节器，其特征在于，包括推进剂流率控制器和电子电流控制器；

2.根据权利要求1所述的一种离子电推进系统推力宽调节器，其特征在于，所述推进剂流率控制器包括流率前馈控制模型、流率反馈控制器、流率调节阀、流量传感器；

3.根据权利要求1所述的一种离子电推进系统推力宽调节器，其特征在于，所述电子电流控制器包括电子电流前馈控制模型、电子电流调节电源；

4.根据权利要求1～3任一项所述的一种离子电推进系统推力宽调节器，其特征在于包括推力控制器，所述推力控制器，进行推力闭环控制的同时调节离子推力器的磁场电流，使磁场强度跟随变化，从而改变推进剂电离率，推力器内部被加速的离子数量随着电离率变化而变化，最终实现推力的精确控制。

5.根据权利要求4所述的一种离子电推进系统推力宽调节器，其特征在于所述推力控制器包括推力反馈控制器、磁场调节电源、推力评估模型、电流传感器；

6.一种离子电推进系统推力宽调节方法，其特征在于包括并行执行流率前馈控制步骤和电子电流前馈控制步骤；

7.根据权利要求6所述的一种离子电推进系统推力宽调节方法，其特征在于所述流率前馈控制步骤为：

8.根据权利要求6所述的一种离子电推进系统推力宽调节方法，其特征在于所述电子电流前馈控制步骤为：

9.根据权利要求6所述的一种离子电推进系统推力宽调节方法，其特征在于还包括如下推力反馈闭环控制步骤：

10.根据权利要求9所述的一种离子电推进系统推力宽调节方法，其特征在于所述推力反馈控制律为pid控制律。

技术总结
本发明涉及一种离子电推进系统推力宽调节器以及调节方法，所述调节器包括推进剂流率控制器和电子电流控制器、推力控制器；推进剂流率控制器，用于对注入离子推力器的推进剂流率进行前馈控制，使得注入离子推力器的推进剂流率稳定为流率前馈控制目标值；电子电流控制器，用于对电子电流进行前馈控制，使得注入离子推力器的电子电流稳定为电子电流前馈控制目标值；推力控制器进行推力闭环控制的同时调节离子推力器的磁场电流，使磁场强度跟随变化，从而改变推进剂电离率，离子推力器内部被加速的离子数量随着电离率变化而变化，最终实现推力的精确控制。

技术研发人员：高俊,李永,姚宁,丁凤林,李晨光,刘镇星,张浩石,安思颖
受保护的技术使用者：北京控制工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/6/11