胡海峰

北京航天自動控制研究所，北京100854

進入21 世紀，中國相繼開始研制新一代大、中、小型運載火箭，按照新一代運載火箭的發(fā)展思路，推力為120t 級的液氧煤油發(fā)動機將作為新一代運載火箭的主要動力系統(tǒng)之一［1］，推進劑貯箱增壓系統(tǒng)被列為重大關(guān)鍵技術(shù)［2］。文獻［1］在國內(nèi)外主要液體運載火箭增壓方案分析基礎(chǔ)上，對120t 級液氧煤油發(fā)動機的增壓系統(tǒng)進行了研究，提出了閉式數(shù)字增壓方案，通過設(shè)置在貯箱氣枕的冗余數(shù)字式壓力傳感器敏感貯箱壓力，以此為依據(jù)對多路并聯(lián)的電磁閥進行開閉控制，從而實現(xiàn)增壓氦氣流量調(diào)節(jié)，將貯箱壓力控制在理想范圍內(nèi)。本文結(jié)合新一代運載火箭的研制，對120t 級液氧煤油發(fā)動機的貯箱增壓系統(tǒng)的閉式增壓控制技術(shù)進行研究。

1 閉式增壓控制系統(tǒng)設(shè)計

液體運載火箭增壓系統(tǒng)以增壓壓力是否受控進行區(qū)分［1，3～6］，分為開式和閉式2 種。開式增壓系統(tǒng)組成簡單，但由于增壓氣體流量固定，增壓壓力設(shè)計值一般偏高，增壓氣體使用量相對較多。閉式增壓方案需要設(shè)置壓力敏感裝置和增壓流量調(diào)節(jié)裝置，但在節(jié)約增壓氣體用量方面具有顯著優(yōu)勢。

新一代運載火箭克服現(xiàn)有技術(shù)單機研制難度大、增壓更改不靈活、增壓控制通用性和適應(yīng)性差的不足，提出一種數(shù)字閉式增壓控制系統(tǒng)，見圖1。該系統(tǒng)采用壓力傳感器與電磁閥組合的方式，推進劑貯箱設(shè)置冗余數(shù)字壓力傳感器;壓力傳感器將壓力信號通過數(shù)字總線傳輸給三模冗余增壓控制裝置，增壓控制裝置對增壓控制周期內(nèi)錄取的壓力數(shù)據(jù)進行合理性判別、最小二乘濾波，當增壓控制周期內(nèi)合理性數(shù)據(jù)個數(shù)大于預置閾值時實施閉式程序增壓，否則實施備保固定時序增壓盡可能提供貯箱工作壓力;三模冗余增壓控制裝置基于增壓控制方程計算結(jié)果采取3 取2 表決輸出控制指令，對多路并聯(lián)的增壓電磁閥進行開閉控制，從而實現(xiàn)增壓氣體流量調(diào)節(jié)，將貯箱壓力控制在需要范圍內(nèi)。推進劑貯箱壓力由引壓管引出并與壓力傳感器敏感端面相接，實現(xiàn)對同一被測物理量壓力的冗余測量。貯箱冗余數(shù)字壓力傳感器、三模冗余增壓控制裝置和增壓電磁閥等組成三模系統(tǒng)級冗余控制回路，主增壓電磁閥和輔增壓電磁閥和備保增壓電磁閥構(gòu)成系統(tǒng)的容錯控制對象，加熱器為氣路中增壓氣體加熱設(shè)備，加熱器根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需要設(shè)置。閉式增壓控制系統(tǒng)通過軟件實現(xiàn)對貯箱壓力控制帶的靈活設(shè)置和調(diào)整，壓力控制帶可隨火箭飛行過程變化。

圖1 高可靠閉式增壓控制系統(tǒng)原理框圖

2 閉式增壓控制算法設(shè)計

閉式增壓控制控制系統(tǒng)基于控制周期實施增壓控制，控制流程見圖2?？刂浦芷跒?00ms，濾波算法采用最小二乘濾波，每個控制周期對200ms 內(nèi)實際收到的壓力數(shù)據(jù)進行遞推濾波計算，壓力傳感器每20ms 發(fā)送1 組壓力數(shù)據(jù)，每個有效壓力數(shù)據(jù)(a ＜壓力值＜b)遞推1 次，無效數(shù)據(jù)不參與迭代，200ms 完成1 次濾波，根據(jù)最終濾波結(jié)果進行增壓控制。當200ms 控制周期內(nèi)有效壓力數(shù)據(jù)≥5個，則認為本控制周期內(nèi)參數(shù)有效，實施閉式程序增壓控制;控制周期內(nèi)有效壓力數(shù)據(jù)≤4個，則認為本控制周期內(nèi)參數(shù)無效，濾波結(jié)果輸出0，進行備保固定時序增壓控制。系統(tǒng)設(shè)置允許增壓標志，在允許增壓時間段內(nèi)，根據(jù)200ms 內(nèi)有效壓力數(shù)據(jù)個數(shù)進行正常增壓和備保增壓控制的切換，直至禁止增壓。

主要的閉式增壓控制算法如下:

1)在每個控制周期內(nèi)開始時，對濾波器進行初始化，濾波器的初始化參數(shù)為:

式中，n 為當前控制周期有效壓力數(shù)據(jù)的數(shù)量;tstart_i為當前控制周期第一次濾波計算時間點;t_i為濾波計算時間點;τ0_i為當前控制周期內(nèi)本組數(shù)字壓力信號與第1 組的時間差;P_i為當前參與濾波的壓力數(shù)據(jù);φ12_i，φ22_i，φ1a_i，φ2a_i，A2a_i，A1a_i為中間變量;P'_i為濾波估計值。

2)增壓控制裝置冗余錄取的3個數(shù)字壓力傳感器通過數(shù)字總線發(fā)送的壓力信號，控制裝置1，2，3 分別錄取壓力傳感器1，2，3 的壓力信號，在滿足允許增壓條件時，控制裝置1，2，3 運行相同的軟件分別對錄取的壓力數(shù)據(jù)進行合理性判別，判別公式為:

式中，a 為數(shù)據(jù)合理性判別下限;b 為數(shù)據(jù)合理性判別上限。

3)濾波器遞推計算為每收到1個有效壓力數(shù)據(jù)進行1 次，每200ms 周期輸出濾波結(jié)果。

圖2 閉式增壓控制軟件流程

數(shù)字壓力信號的值yi有效時，濾波器有效壓力數(shù)據(jù)的數(shù)量n 累加1:

計算在本周期內(nèi)相對于濾波周期的起點tstart_i，得到3 組數(shù)字壓力信號的值yi的時間差:

根據(jù)遞推公式計算φ12_i，φ22_i，φ1a_i和φ2a_i，遞推公式如下:

計算A2a_i和A1a_i:將φ12_i，φ22_i，φ1a_i和φ2a_i和n，代入下式:

再由A2a_i，A1a_i和τ0_i計算得到濾波估計值P'_i，計算公式如下:

4)200ms 控制周期結(jié)束前，統(tǒng)計有效的yi的數(shù)量，即有效壓力數(shù)據(jù)的數(shù)量。當每個控制周期內(nèi)，有效壓力數(shù)據(jù)的數(shù)量n ≥5，則實施閉式程序增壓控制，由增壓控制裝置對濾波估計值進行增壓控制邏輯判斷，三取二表決輸出功率指令驅(qū)動控制主增壓電磁閥、輔增壓電磁閥、備保增壓電磁閥開閉，實現(xiàn)多增壓流量控制，每路電磁閥設(shè)計獨立的增壓控制帶，高于控制帶上限時該閥門關(guān)閉，低于控制帶下限時閥門打開，在上下限之間維持上一時刻狀態(tài)，增壓電磁閥控制邏輯見式(8)～(10):

式(8)～(10)中，y 為每周期壓力計算結(jié)果，y1(t)，y2(t)，y3(t)，y4(t)，y5(t)，y6(t)分別為主增壓電磁閥、輔增壓電磁閥、備保增壓電磁閥的控制閾值，控制閾值為時間t 的時變函數(shù)。

5)200ms 控制周期結(jié)束前，統(tǒng)計的有效壓力數(shù)據(jù)的個數(shù)≤4 時，實施備保固定時序增壓控制。備保固定時序增壓控制以允許增壓點為計時0 點，在備保增壓控制的時間段進行固定邏輯備保增壓控制，當貯箱壓力恢復正常時，實時恢復正常閉式程序增壓控制。備保固定時序增壓控制以備保增壓需求進行設(shè)計，包括設(shè)計允許增壓時段和開閉時間，以主增壓電磁閥周期開閉、輔增壓電磁閥時刻定時開閉(t 2 時刻打開)、備保增壓電磁閥定時開閉(t 3 時刻打開)為例，并按主增壓電磁閥開閉周期8s(4.5s關(guān)閉，3.5s 打開)設(shè)計備保固定時序增壓控制，見圖3。備保固定時序增壓控制方法如下:

圖3 備保固定時序增壓控制

①從壓力有效數(shù)據(jù)小于5 的控制周期開始，備保增壓延續(xù)至壓力數(shù)據(jù)正?；蚪乖鰤?

②如上述時刻位于t 1 和t 2 之間，則周期開閉主增壓閥門，關(guān)閉輔增壓閥門、備保增壓閥門，t 2 時刻打開輔增壓閥門，t 3 時刻打開備保增壓閥門;

③如上述時刻位于t 2 和t 3 之間，則周期開閉主增壓閥門，打開輔增壓閥門，關(guān)閉備保增壓閥門，t3 時刻打開備保增壓閥門;

④如上述時刻位于t 3 到禁止增壓之間，則周期開閉主增壓閥門，打開輔增壓閥門、備保增壓閥門;

⑤因增壓電磁閥控制指令采取3 取2 表決機制，增壓控制裝置的3個CPU 需從同一個時間基點計時，以確保3 取2 指令的準確表決輸出，主增壓閥門需根據(jù)備保固定時序增壓控制發(fā)生時刻位于從允許增壓時間點算起的閉4.5s 開3.5s 某個周期中的位置進行控制。示例如圖4，備保增壓發(fā)生時刻為相對于允許增壓點10s 的位置，處于從允許增壓點開始的閉4.5s 中的2s 時刻，因此備保增壓應(yīng)繼續(xù)完成剩余的閉2.5s 后，再進行開3.5s 的周期邏輯控制。

圖4 備保固定時序增壓控制同步

3 工程實踐與應(yīng)用

閉式增壓控制系統(tǒng)應(yīng)用于新一代運載火箭，參加了助推動力系統(tǒng)試車、一級動力系統(tǒng)試車試驗。試車過程中增壓控制裝置錄取冗余數(shù)字壓力傳感器敏感的壓力信號，增壓控制軟件對壓力數(shù)據(jù)進行合理性判別后剔除無效數(shù)據(jù)，并對有效數(shù)據(jù)進行濾波，根據(jù)濾波結(jié)果和預先確定的壓力控制帶，3 取2 表決輸出功率指令驅(qū)動控制主增壓電磁閥、輔增壓電磁閥、備保增壓電磁閥。增壓電磁閥接到增壓控制裝置輸出的時序功率指令后，電磁閥打開，氣瓶組的氣體通過過濾器，再經(jīng)過增壓電磁閥和增壓孔板后，將氣瓶組的氣體經(jīng)過加熱器加熱后送至貯箱內(nèi)的消能器，經(jīng)消能器消能送至貯箱，直至貯箱壓力到達需要范圍，當貯箱壓力大于閾值范圍時相應(yīng)增壓電磁閥關(guān)閉。至此增壓控制裝置控制增壓電磁閥開閉，實現(xiàn)動力系統(tǒng)試車過程中的貯箱壓力的實時閉環(huán)控制。某模塊動力系統(tǒng)試車試驗數(shù)據(jù)見圖5 ～6。

圖5 一級氧箱壓力曲線

在4 次試車過程中，閉式增壓控制設(shè)備正常，系統(tǒng)工作正常，壓力按預期結(jié)果實現(xiàn)了閉式控制。試車過程中氧箱3個壓力傳感器Y1，Y2，Y3 之間的偏差最大為2kpa，燃箱3個壓力傳感器R1，R2，R3 的數(shù)據(jù)偏差最大為6kpa，均在壓力傳感器精度范圍內(nèi)。

圖6 一級燃箱壓力曲線

4 分析與討論

1)本文閉式增壓控制系統(tǒng)，由冗余數(shù)字壓力傳感器測量貯箱壓力信號，三模冗余增壓控制裝置基于增壓控制方程3 取2 表決輸出控制指令，控制多路增壓電磁閥實現(xiàn)閉式增壓控制，且重要參數(shù)在火箭射前可在線監(jiān)測，提高了增壓控制可靠性;

2)增壓控制算法由軟件實現(xiàn)，增壓控制帶可由軟件修改，并在射前裝訂，使得壓力傳感器、增壓控制裝置和增壓電磁閥等產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)單機共用，增壓控制帶和壓力控制點更改靈活，基于共用的單機產(chǎn)品并更改軟件和增壓控制參數(shù)可滿足不同增壓控制要求，系統(tǒng)和產(chǎn)品通用性和實用性好;

3)閉式增壓控制系統(tǒng)三模冗余增壓控制裝置對增壓控制周期內(nèi)錄取的壓力數(shù)據(jù)進行合理性判別、濾波，根據(jù)增壓控制周期內(nèi)合理性數(shù)據(jù)個數(shù)實施閉式程序增壓或備保固定時序增壓，實現(xiàn)貯箱閉式增壓的容錯控制，提高系統(tǒng)故障適應(yīng)性。

5 結(jié)論

針對新一代運載火箭增壓控制需求，本文提出一種液體運載火箭閉式增壓控制方案，并對閉式增壓控制的相關(guān)技術(shù)進行了重點論述。分析和試驗表明，本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)方案相比具有顯著優(yōu)勢:產(chǎn)品通用性好且制造難度低，配套容易;壓力控制帶可通過軟件裝訂，更改靈活;重要參數(shù)射前可監(jiān)測，測試性好;系統(tǒng)采用三模容錯方案，增壓控制可靠性高;火箭飛行過程中能夠可靠靈活的實現(xiàn)液體運載火箭推進劑貯箱壓力控制，通過更改軟件和裝訂能夠滿足不同增壓控制需求，系統(tǒng)適應(yīng)性強，具有良好的推廣應(yīng)用價值。

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