空间飞行器的姿态控制系统与运作轨道保持稳定相关性分析

在生产力发展的过程中，人类总是不断地认识世界和改造世界，不断地提高劳动生产率。经过一个漫长的历史时期，逐步地用机器代替人工劳动实现了机械化和自动化，开辟了人类对生产活动有意识控制的新纪元。自动控制是科学技术发展到一定阶段的产物，是社会进步的一个象征。它是一门介于多个学科之间综合性的高新技术学科，并渗透到各类工程领域和现代社会生活的各个方面，在信息科学中占有重要的地位。

自动控制作为一种重要的技术手段，能解决哪类性质的工程问题？能承担什么样的技术任务呢？

任何技术设备、机器和生产过程都必须按照预定的要求运行。例如，要想使发电机正常供电，就必须保持其输出电压恒定，尽量不受负荷变化和原动机转速波动的影响；要想使数控机床加工出高精度的零件，就必须保证其刀架的位置准确地跟随指令进给；要想使热处理烘炉提供合格的产品，就必须严格的控制炉温等。其中发电机、机床、烘炉就是工作的机器设备；电压、刀架位置、炉温是表征这些机器设备工作状态的物理参量；而额定电压、进给的指令、规定的炉温，就是对物理参量在运行过程中的要求。

通常，在自动控制技术中，把这些工作的机器设备称为被控对象，把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的要求值称为给定值或希望值（或参考输入），则控制的任务可概括为：使被控对象的被控量等于给定值。

自动控制就是在没有人直接参与下，利用控制装置操纵被控对象，使被控量按照预定的规律变化的过程。例如：

（1）往复式轧钢机的控制。它是通过轧辊频繁地正反向转动来完成对钢材正反向轧制任务的。需要控制的设备为轧钢机的轧辊，它就是该系统的受控对象，而控制装置为轧钢机的主传动控制装置。根据生产工艺过程要求，主传动电动机必须频繁地正反转，即快速地起动并调整到所要求的转速，进行正向轧制；然后快速制动和反向起动并调整到所要求的转速，进行反向轧制；再快速制动和反方向起动，如此循环，反复轧制至钢材的尺寸满足一定要求为止。如果不用自动控制而改用人工操作，除了极大地加重工人的劳动强度外，还由于生产节奏无法加快，不可避免地将造成钢材或轧辊的等待现象。一个轧制往复过程若空等待1S，一台轧钢机一年就要少轧几万吨钢。

（2）工业加热炉的控制（以热处理炉为例）。生产工艺过程要求控制炉温为设定值（例如400℃），并且在各种扰动（如电源电压波动、热负荷变化等）作用下只允许很小的偏差（例如0.5℃）。这时受控对象为热处理炉，被控量为炉温。如果不用自动控制而由人工操作，控制精度很难保证，产品质量也将受到影响。

（3）雷达高射炮的控制。其目的是打击来犯的敌机，因此必须使雷达天线随时跟踪飞机的运动并测出敌机的方位和仰角，将这些数据经过计算机加工运算和处理后发出指令，控制高射炮的炮身转动系统和射击装置，使高射炮随时瞄准敌机并给予毁灭性地打击。瞄准的精度要求很高，其角度误差只能以分计。特别是现代的军用飞机速度很快，高射炮的炮身又很重，如果不用自动控制而用人工操作，根本就无法满足现代战争的需要。

（4）空间飞行器飞行姿态的控制。空间飞行器是火箭、导弹和人造地球卫星的通称。它们的飞行控制系统是相类似的，现以人造地球卫星为例。通常将人造地球卫星视为刚体，因此对它的控制包括两部分：控制人造地球卫星质心运动的轨道控制和控制人造地球卫星飞行姿态的姿态控制。对于大多数人造地球卫星而言，卫星的运行轨道是由运载火箭的制导系统来保证的，因而在卫星上只有姿态控制系统。所谓卫星的姿态控制就是对卫星绕质心的运动进行控制，以确保其飞行所要求的姿态。例如：卫星上主要能源是太阳能电池，为了保证它能正常地工作，必须保持卫星相对于太阳的姿态；通信卫星是电话和广播电视的中继站，它的窄波束天线的波束必须以一定的对地精度指向地球上预定的目标区域。可见人造地球卫星的姿态控制是以高水平的自动控制技术为前提的。尖端技术更需要高品质的自动控制，自动控制系统已成为空间飞行器的重要组成部分。

要使受控对象的被控量变化并不难，难的是使它按预定的规律变化，面临的主要问题有下列两个方面：(www.xing528.com)

（1）受控系统的特性难合人意。“系统”的概念已渗透到现代社会的各个领域，其含义也是非常广泛的。凡是由若干部件相互作用而构成的并具有特定功能的整体，都可叫做系统。控制系统就是由受控对象和控制装置按照一定方式连接而成的有机整体。而且系统的概念具有相对性：系统的每一组成部分均可视为一个系统，为了和整体的系统相区别通常称之为子系统，一个系统又可以是更大系统的子系统。例如受控对象本身可视为一个系统，在控制系统中它又是一个子系统，称为受控子系统简称受控系统。

系统一般可分为静态系统和动态系统两大类。从物理的角度看，它们的本质区别在于是否含有储能（或储存信息）的元器件。静态系统不含有储能元件，因而描述静态系统各变量之间的关系只需用代数方程，如纯电阻网络和理想的比例运算放大器就属于这类系统。而含有储能（或储存信息）的元器件的系统则称为动态系统，又叫做动力学系统。实际的控制系统均属于动态系统，而静态系统只是实际系统的一种理想化结果。动态系统的特点是：由于其存在储能（或储存信息）的元器件，如质量、弹簧、转动惯量、电感、电容、存储器或寄存器等，因而描述系统各变量之间的关系必须用微分（或差分）方程；系统的运动呈现惯性的特点，在外界输入信号作用下系统的响应不可能立即完成而需要有个过程（称为过渡过程），而过渡过程的特性取决于系统的结构和各元器件的特性。由于受产品结构、材料、生产工艺条件等限制，通常受控系统的元器件的特性难合人意，若不采取措施加以校正，则系统的被控量就难以甚至无法按照预定的规律变化。

（2）存在各种扰动阻碍系统的被控量按照预定的规律变化。作用于系统的输入信号可分为两大类：一类是有用的输入信号，它决定系统被控量的变化规律，通常称其为参考输入信号；另一类为扰动（或干扰）信号，简称扰动，它们将阻碍系统被控量按照预定的规律变化，因此扰动是一类有害的信号。系统的扰动包含两部分：由系统外部因素造成的扰动（例如电源电压的波动、电动机负载和环境温度的变化、飞行中气流的冲击等）叫做外部扰动，简称外扰；由系统内部因素造成的扰动（例如所使用元器件的老化、磨损和特性的变化等）叫做内部扰动，简称内扰。在实际系统中扰动总是不可避免的，而且其变化规律往往是难以预计的，甚至扰动的形式也是未知的。

此外，系统又涉及各类工程技术领域，遍布现代社会生活的各个方面，它们的物理属性又各不相同，例如有工业控制系统、军事系统、经济系统、生物系统、社会系统……。工业控制系统又包括电气系统、机械系统、液压系统、气动系统、电气传动系统、过程控制系统等。

因此，自动控制理论学科以及本课程具有下列两个特点：

（1）自动控制理论研究的是自动控制系统运动的一般规律和分析、设计的基本方法。研究的对象是各类控制系统；研究的问题是如何根据被控对象和环境的特性，通过对系统运动信息的采集、加工和处理，形成适当的控制作用，使系统在各种扰动因素作用下能够正常地工作并具有预定的功能；研究的基本方法是对各类物理属性迥异的控制系统加以抽象与概括，抓住其本质特征和影响系统特性的主要因素，略去次要因素，用数学方程或表达式对系统加以描述（该数学方程或表达式称为系统的数学模型），并总结出分析与设计自动控制系统的基本理论和方法，以指导工程实践。

控制系统的设计是一项较复杂的工作，要考虑多方面的因素。既要考虑技术要求，又要考虑该系统的社会意义、经济性、可靠性和使用维护的方便性等方面的要求。这里只限于讨论设计的技术性部分，即用数学方法寻找一个能满足技术要求的控制系统，通常把这项工作叫做系统的综合。书中所说的系统设计，严格地说是指系统的综合，但在习惯上，往往将设计与综合视为同义词而不加以区分。

因此本课程的特点是从“共性”角度讨论自动控制系统运动的一般规律和普遍适用于各类系统的分析与设计的基本方法。这对于未接触过具体系统的读者来说会感到抽象，建议学习时应与具体的控制系统以及例题和习题结合起来，以便通过“个性”来理解和掌握“共性”，并以“共性”为指导来加深对“个性”的了解。

（2）自动控制理论讨论的中心问题是控制系统的性能。自动控制理论讨论的内容，可简单地概括为关于自动控制系统的基本组成原理以及控制系统的数学描述、分析和设计的基本方法，而核心在于后者。因此从本质上说，本课程是一门方法论的技术基础课。讨论的重点是分析与设计自动控制系统的基本理论和基本方法。讨论的出发点和归宿点始终围绕自动控制的功能（使系统的被控量按照预定的规律变化）。而系统所具有的自动控制功能的优劣程度可用控制系统的性能来描述，它包括定性性能和定量性能两个部分。因此本课程讨论的中心问题是控制系统的性能。也就是说：在系统分析时，系统已经确定，讨论的中心问题是系统的结构和参数与系统性能的关系，以及改善和提高系统性能的途径；在系统设计时，从对系统性能的要求出发，讨论的中心问题是如何确定合适的系统结构与参数（或控制算法），使系统在技术经济指标综合评价的意义下较好地满足对系统性能的要求。