航天控制
正文
航天工程的重要技術基礎和自動化技術的重要套用領域。航天控制的主要任務是對運載火箭和太空飛行器（包括人造衛星、太空梭等）的軌道、姿態和各種工作狀態進行控制。航天控制的特點在於控制對象的動力學模型複雜，工作環境遠離地面，能源有限，處理的信息量大以及對自動化程度、控制精度和可靠性的要求高。對航天控制的技術要求主要表現在兩個方面：①發展各種高性能（精度高、重量輕、體積小、功耗低、可靠性高、壽命長）的測量元件、執行元件和計算裝置；②發展各種控制方法以及套用最優估計理論和最優控制系統。20世紀50年代末以來，由於航天事業在科學技術、社會經濟和軍事方面的重大意義，各大國競相採用最先進的技術發展航天工程，從而也推動了自動化技術的發展。60年代，工業生產和航天工程都提出了經典控制理論不能解決的複雜控制問題。計算機技術的發展為現代控制理論的建立創造了條件。由於在航天控制中能採用較精確的數學模型，所以現代控制理論的許多新概念、新方法首先在航天控制中得到驗證，並獲得卓有成效的套用。70年代以來，先進的航天控制技術開始向工業和其他部門移植。運載火箭的制導和控制 把太空飛行器送入預定的軌道需要用多級火箭運載，其制導和控制系統必須根據預先設計的發射彈道來控制火箭發動機的多次啟動和關機，並相應地穩定和調整火箭的姿態，還需要控制級間分離。現代火箭制導採用最最佳化理論和小型數字計算機的疊代制導方法，根據火箭受擾動後的運動狀態參數來選擇最優或次優的彈道，因此具有較大的靈活性，並可獲得較大的運載能力。疊代制導已經用於美國“土星”號運載火箭和“阿波羅”飛船的登月飛行。另一種更完善的綜合制導方法是在控制系統中配備姿態控制子系統（硬體稱自動駕駛儀）。這種方法在點火期間使火箭推力保持在需要方向上，能滿足太空梭多次點火和軌道轉換的要求。對於大型運載火箭的控制，撓性是必須加以考慮的因素。在大型火箭的發射和飛行過程中，撓性使箭體產生彎曲載荷和彈性振動，並使重心、轉動慣量等參數發生大幅度變化，同時液體晃動和級間分離也會產生嚴重的干擾。設計這種控制系統，常採用凍結參數法和分段線性化法，並用有限維逼近求近似集中參數系統的最優控制，然後進行非線性時變動力學系統的計算機仿真。彎曲振型的穩定是運載火箭姿態控制系統設計中的重要課題，困難在於不能精確了解彎曲模態的特性。當彎曲模態與剛性模態頻率分隔很遠時，可適當選擇增益和測量元件的位置，利用濾波方法得到滿意的設計。採用數字計算機能實現大型撓性火箭姿態的隨機最優控制和適應控制。
太空飛行器的軌道確定和軌道控制 為了進行軌道控制，需要實時地確定太空飛行器的運行軌道。卡爾曼濾波器是遞推運算的，特別適於實時軌道確定。在“阿波羅”登月艙和指揮艙的繞月軌道交會過程中，採用了卡爾曼濾波器處理混有噪聲的雷達和空間六分儀測量數據。在同步衛星的軌道確定和控制中，為使衛星相對於地面的位置保持不變，需要用噴氣發動機提供推力衝量，以便補償同步軌道上的各種攝動和干擾。這時的軌道控制稱為軌道保持。它的最優策略是選擇噴氣的時刻和持續時間，使衛星停留在給定範圍內的時間最長，或在一定停留時間內燃料消耗最少。太空梭的飛行環境（從大氣層到外層空間）和速度變化範圍很大。它的制導和姿態控制系統採用五台數字計算機完成最優控制和適應控制，並具有對意外故障的應急處理能力。
太空飛行器的姿態確定和控制 姿態確定就是根據姿態測量元件提供的測量信息（含有噪聲）求出姿態角和角速度，其精度與測量元件的精度、安裝方式和信息處理的方法有關。太空飛行器姿態的變化一般是非線性的，宜於採用推廣的卡爾曼濾波器來估計。對太空飛行器繞質心的鏇轉運動進行控制的技術稱為姿態控制。主動姿態控制以氣體噴管或飛輪為主要執行元件，前者常採用開關式控制，後者可實行線性調節。通常利用模擬電路對相應的執行元件提供所需的控制信號，但是自從“阿波羅”飛船採用以計算機為核心的數字自動駕駛儀之後，在許多太空飛行器上都採用了數字控制系統。在太空飛行器上配備計算機大大改善了姿態控制系統的性能，它的作用是：①提高姿態確定的精度；②算出增益改變數和實現數字濾波，用以補償彈性振動、燃料消耗和液體晃動的影響；③實現按時間－燃料最優控制的噴氣姿態機動；④實現按燃料-誤差最優控制的噴氣姿態穩定；⑤實現按能量-誤差最優控制的飛輪姿態控制；⑥實現能適應大範圍變化的自適應姿態控制和改變系統結構；⑦自動故障鑑別。大型撓性太空飛行器的控制問題是自動控制理論中受到重視的研究課題。許多太空飛行器已採用了多用途模組化姿態控制系統，這有利於縮短調研周期、降低成本和採用冗餘技術。
航天測控 以地面站為基礎進行的對運載火箭和太空飛行器的測軌、跟蹤、遙測、遙控等技術(見航天遙測)。
參考書目
格林雪特著,長工譯:《飛行控制系統的分析與設計》，國防工業出版社，北京，1978。(Arthur L.Greensite, Analysis and Design of Space V ehicle Flight Control Systems ,SpartanBooks,1970.)
卡普蘭著,凌福根譯:《空間飛行器動力學和控制》，科學出版社,北京,1981。(M.H. Kaplan, Modern Spacecraft Dynamics and Control，John Wiley & Sons, New York,1976.)
