CN105675205B - 真空推力原位自动校准装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种真空推力原位自动校准装置，利用电动缸力加载机构的输出力用于模拟推力室的推力，并且使推力测量传感器的应用环境与液体火箭发动机保持一致，为推力测量传感器的原位校准提供了基础，同时采用基于电动缸的力加载精确控制技术，解决了2Pa高真空环境下的推力原位校准问题，最高加载力为10KN，校准力精度优于0.05％。真空推力原位校准装置作为液体火箭发动机高空模拟试验之用，在发动机试验程序前、后及间歇期间的真空环境下，可对发动机推力测量系统进行远程、快速原位标定，提高发动机高空模拟试验推力测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及航天发动机试验，具体地说涉及航天发动机的高空模拟试验推力标定方法。
背景技术
随着航天姿控动力系统研制工作的深入开展，为研究发动机高空工作特性，必须通过推力测量装置获得高真空度条件下的发动机推力。在发动机高空模拟试验技术领域中，推力校准装置主要用于实现推力测量装置的原位校准，降低预紧系统、管路等引入的测量不确定度，获得推力测量装置的输入推力-输出电压对应关系，提高推力测量精度。
目前，国内进行了大量的高空模拟试验，在真空推力校准技术领域取得了一定成效，但推力原位校准技术仍沿用现有地面试车常用的校准模式，主要存在如下不足：
(一)不具备真空状态下的推力原位校准条件，推力测量传感器采用试车前地面状态下的推力原位校准系数，但在发动机高空模拟试验时，经长时间抽真空后推力架及传感器的机械特性会产生改变，由此产生的测量偏差会降低发动机推力测量精度。
(二)推力校准自动化程度不高，现有操作为手动操作模式，需要由多人协同操作，既费时又费力，还存在一定的人为误差，不利于推力测量精度的提高。
(三)不具备热试车过程中的推力原位校准条件，经多次热试车后，由于真空辐射热传递至推力架，使推力架热变形和传感器温漂，引起推力测量偏差，此时，需要对推力测量系统进行快速原位校准，获取更为准确的推力校准系数，但受现有条件限制，尚不能实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于航天发动机高空模拟试验推力测量领域中，提高发动机推力测量精度的原位、自动、快速标定技术手段。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
本发明所提供的真空推力原位自动校准装置，其特殊之处在于：
包括电动缸力加载机构及实时控制器，所述电动缸力加载机构的输出力用于模拟推力室的推力，所述电动缸力加载机构的输出力加载在发动机推力架上，所述电动缸力加载机构与发动机推力架及推力测量传感器位于同一真空舱内，所述推力架及推力测量传感器的位置、环境与液体火箭发动机中除推力室外的部件间的连接关系保持一致；
所述电动缸力加载机构包括伺服电机、减速机、滚珠丝杠、第一标准力传感器，所述伺服电机通过减速机与滚珠丝杠连接；所述第一标准力传感器用于检测滚珠丝杠的输出力值；
所述推力测量传感器作为被校准传感器用于测量推力架上的加载力；
所述实时控制器包括伺服电机控制器、控制电路、嵌入式计算机、角度编码器、限位开关及采集器；
所述伺服电机控制器控制电机转动角度，角度编码器用于检测电机的转动角度，限位开关用于限制滚珠丝杠的位移行程，所述角度编码器、限位开关及第一标准力传感器的输出值经采集器送入嵌入式计算机；
所述嵌入式计算机对角度编码器的输入信号进行处理形成滚珠丝杠加载端面的位移量；所述嵌入式计算机在收到限位开关的信号后，通过控制电路及伺服电机控制器停止伺服电机；
所述嵌入式计算机分析目标力值及采集到的第一标准力传感器输出力值后通过控制电路控制伺服电机。
上述真空推力原位自动校准装置还包括主控计算机、第二标准力传感器、DMP40测量仪及P6000采集系统，
所述主控计算机将输入的多个目标力值的命令传输给实时控制器，所述实时控制器通过电缆与电动缸力加载机构连接；
所述实时控制器及DMP40测量仪位于真空舱附近，所述主控计算机及P6000采集系统位于远离真空舱的机房内，第二标准力传感器位于真空舱内用于检测滚珠丝杠的输出力值；
所述P6000采集系统采集推力测量传感器的输出信号，所述P6000采集系统的输出端与主控计算机连接；所述DMP40测量仪用于采集第二标准力传感器的输出信息并将输出信号传输给主控计算机；
所述主控计算机根据第二标准力传感器的输出值对推力测量传感器校准。
上述主控计算机通过RS485通讯技术分别与实时控制器及DMP40测量仪通信，所述主控计算机通过网络通讯与P6000采集系统通信。
上述第一标准力传感器及第二标准力传感器均为Z30标准力传感器。
利用上述的真空推力原位自动校准装置进行真空推力原位自动校准的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：
1)在主控计算机内输入需要加载的目标力值；
2)主控计算机将命令传输给实时控制器，
3)实时控制器对比分析目标力值及采集到的第一标准力传感器输出力值后，实时控制电动缸力加载机构运动，进行标准力加载，当目标力值及采集到的第一标准力传感器输出力值相等后，停止标准力加载；
4)在电动缸力加载机构进行标准力加载的同时，主控计算机通过DMP40测量仪表及P6000采集系统获得第二标准力传感器及推力测量传感器的输出值，为推力测量传感器校准提供数据；
5)当在主控计算机内按照三遍六档推力装置标定程序输入多个目标力值后，加载实时控制器控制电动缸力加载机构按照程序顺序施加对应标准力，同时测量系统会实时采集每个标准力值下的第二标准力传感器输出值和推力测量传感器输出力值；
6)主控计算机根据第二标准力传感器的输出值对推力测量传感器校准。
上述步骤3)采用模糊控制器技术对力加载过程进行快速调节；基于位移快速调节和精确控制的需要，将位移加载过程分为两段，即大偏差段和小偏差段，在大偏差段控制力加载端面以较高的位移速度及加速度进行运动，短时间内完成绝大部分位移的调节，在小偏差段以较低的位移速度及加速度进行运动，消除扰动和滞后的影响，实现高精度控制。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
1、本发明利用电动缸力加载机构的输出力用于模拟推力室的推力，并且使推力测量传感器的应用环境与液体火箭发动机保持一致，为推力测量传感器的原位校准提供了基础，同时采用基于电动缸的力加载精确控制技术，解决了2Pa高真空环境下的推力原位校准问题，最高加载力为10KN，校准力精度优于0.05％。
2、本发明采用远程化推力自动校准技术，解决了推力校准过程完全依赖多人手动操作、标准力值和测量力值记录时间不同步等问题，大大提高了推力校准过程的自动化程度，减少了人为操作环节，实现了真空环境下推力的远程化自动校准功能。
3、本发明采用电动缸位移控制技术和模糊控制器技术相结合方式，实现了推力校准过程的快速调节，其三遍六档的自动校准时间缩短至70秒以内。
附图说明
图1为力加载系统原理图；
图2为远程化推力自动校准原理图；
图3为发动机真空推力原位自动校准装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明:
本发明采用基于电动缸的精确控制技术，设计了标准力加载系统，标准力加载系统由电动缸力加载机构和实时控制器构成，如图1所示，电动缸力加载机构可以实现伺服电机的旋转运动转换成直线运动，并可以在真空环境下稳定工作。其总体结构由伺服电机、减速机、滑轨、滚珠丝杠、限位开关、标准力传感器、安装基座、实时控制器等组成。实时控制器集测控功能于一体，实现电动缸力加载机构的精确控制，其中伺服电机控制器用于控制电机转动角度，角度编码器用于检测电机的转动角度，限位开关用于限制滚珠丝杠的位移行程，标准力传感器用于检测力加载机构的输出力值，通过关键参数信息的融合及判断实现对标准力加载过程的闭环控制，解决了2Pa高真空环境下标准力加载问题，最高加载力10KN，校准力精度优于0.05％。
图2所示为远程化推力自动校准原理图。真空推力原位自动校准装置还包括主控计算机、DMP40测量仪及P6000采集系统，实时控制器及DMP40测量仪位于真空舱附近，主控计算机位于远离真空舱的机房内，主控计算机通过RS485通讯技术分别与实时控制器及DMP40测量仪通信，实时控制器通过电缆与电动缸力加载机构连接，DMP40测量仪通过电缆与标准传感器连接，P6000采集系统的输入端通过推力测量传感器与采集推力架动架的输出力值，P6000采集系统的输出端与主控计算机连接。本发明采用多串口通讯技术、以太网通讯技术实现了主控计算机与力加载驱动装置、DMP40测量仪、太平洋采集系统的通讯连接，减少了人为手动操作环节，大大地提高了推力校准的自动化程度。主控计算机通讯程序采用了握手协议、数据校验等技术进行设计，加强了通讯任务的可靠性。采用RS485通讯技术解决了RS232通讯信号的可靠远传问题，实现了主控计算机对电动缸力加载机构、DMP40测量仪的远程化测控。
本发明采用电动缸力加载机构的加载端面位移控制技术和模糊控制器技术相结合方式，实现推力校准过程的快速调节，开创了发动机试车点火间隙进行真空推力校准的应用案例，填补了国内空白，其三遍六档的自动校准时间最长为70秒。
采用电动缸力加载机构的加载端面位移控制技术对加载力进行快速调节。电动缸力加载机构动作响应快，根据位移设定值，可快速调节到目标值。电动缸力加载机构加载端面从0到10mm位移区间，最长调节时间不超过5秒。
采用模糊控制器技术对力加载过程进行快速调节。基于位移快速调节和精确控制的需要，将位移加载过程分为两段，即大偏差段和小偏差段，在大偏差段控制力加载端面以较高的位移速度及加速度进行运动，短时间内完成绝大部分位移的调节，在小偏差段以较低的位移速度及加速度进行运动，消除扰动和滞后的影响，实现高精度控制。试验前调试出力加载端面位置与加载力的对应关系，试车点火过程中，直接控制力加载端面按照预定的位移校准档位进行推力校准。
图3为发动机真空推力原位自动校准装置的示意图，在主控计算机内输入需要加载的目标力值后，主控计算机将命令传输给力加载实时控制器，力加载实时控制器对比分析目标力值及采集到的Z30标准力传感器1输出力值后，实时控制电动缸力加载机构运动，进行标准力加载，当目标力值及采集到的Z30标准力传感器1输出力值相等后，停止标准力加载。
在电动缸力加载机构进行标准力加载的同时，主控计算机通过DMP40测量仪表及P6000采集系统获得Z30标准力传感器2及推力测量传感器的输出值，为推力测量传感器校准提供数据。
当在主控计算机内按照三遍六档推力装置标定程序输入多个目标力值后，加载实时控制器控制电动缸力加载机构按照程序顺序施加对应标准力，同时测量系统会实时采集每个标准力值下的Z30标准力传感器2输出值和推力测量传感器输出力值。最后主控计算机根据Z30标准力传感器2的输出值对推力测量传感。
Claims (4)
1.利用真空推力原位自动校准装置进行真空推力原位自动校准的方法，其特征在于：
所述真空推力原位自动校准装置包括电动缸力加载机构及实时控制器，所述电动缸力加载机构的输出力用于模拟推力室的推力，所述电动缸力加载机构的输出力加载在发动机推力架上，所述电动缸力加载机构与发动机推力架及推力测量传感器位于同一真空舱内，所述推力架及推力测量传感器的位置、环境与液体火箭发动机中除推力室外的部件间的连接关系保持一致；
所述电动缸力加载机构包括伺服电机、减速机、滚珠丝杠、第一标准力传感器，所述伺服电机通过减速机与滚珠丝杠连接；所述第一标准力传感器用于检测滚珠丝杠的输出力值；
所述推力测量传感器作为被校准传感器用于测量推力架上的加载力；
所述实时控制器包括伺服电机控制器、控制电路、嵌入式计算机、角度编码器、限位开关及采集器；
所述伺服电机控制器控制电机转动角度，角度编码器用于检测电机的转动角度，限位开关用于限制滚珠丝杠的位移行程，所述角度编码器、限位开关及第一标准力传感器的输出值经采集器送入嵌入式计算机；
所述嵌入式计算机对角度编码器的输入信号进行处理形成滚珠丝杠加载端面的位移量；所述嵌入式计算机在收到限位开关的信号后，通过控制电路及伺服电机控制器停止伺服电机；
所述嵌入式计算机分析目标力值及采集到的第一标准力传感器输出力值后通过控制电路控制伺服电机；
所述真空推力原位自动校准装置还包括主控计算机、第二标准力传感器、DMP40测量仪及P6000采集系统；
所述主控计算机将输入的多个目标力值的命令传输给实时控制器，所述实时控制器通过电缆与电动缸力加载机构连接；
所述实时控制器及DMP40测量仪位于真空舱附近，所述主控计算机及P6000采集系统位于远离真空舱的机房内，第二标准力传感器位于真空舱内用于检测滚珠丝杠的输出力值；
所述P6000采集系统采集推力测量传感器的输出信号，所述P6000采集系统的输出端与主控计算机连接；所述DMP40测量仪用于采集第二标准力传感器的输出信息并将输出信号传输给主控计算机；
所述主控计算机根据第二标准力传感器的输出值对推力测量传感器校准；
真空推力原位自动校准装置进行真空推力原位自动校准的方法，包括以下步骤：
1)在主控计算机内输入需要加载的目标力值；
2)主控计算机将命令传输给实时控制器，
3)实时控制器对比分析目标力值及采集到的第一标准力传感器输出力值后，实时控制电动缸力加载机构运动，进行标准力加载，当目标力值及采集到的第一标准力传感器输出力值相等后，停止标准力加载；
4)在电动缸力加载机构进行标准力加载的同时，主控计算机通过DMP40测量仪及P6000采集系统获得第二标准力传感器及推力测量传感器的输出值，为推力测量传感器校准提供数据；
5)当在主控计算机内按照三遍六档推力装置标定程序输入多个目标力值后，加载实时控制器控制电动缸力加载机构按照程序顺序施加对应标准力，同时测量系统会实时采集每个标准力值下的第二标准力传感器输出值和推力测量传感器输出力值；
6)主控计算机根据第二标准力传感器的输出值对推力测量传感器校准。
2.根据权利要求1所述的利用真空推力原位自动校准装置进行真空推力原位自动校准的方法，其特征在于：所述主控计算机通过RS485通讯技术分别与实时控制器及DMP40测量仪通信，所述主控计算机通过网络通讯与P6000采集系统通信。
3.根据权利要求1或2所述的利用真空推力原位自动校准装置进行真空推力原位自动校准的方法，其特征在于：所述第一标准力传感器及第二标准力传感器均为Z30标准力传感器。
4.根据权利要求3所述的利用真空推力原位自动校准装置进行真空推力原位自动校准的方法，其特征在于：
步骤3)采用模糊控制器技术对力加载过程进行快速调节；基于位移快速调节和精确控制的需要，将位移加载过程分为两段，即大偏差段和小偏差段，在大偏差段控制力加载端面以较高的位移速度及加速度进行运动，短时间内完成绝大部分位移的调节，在小偏差段以较低的位移速度及加速度进行运动，消除扰动和滞后的影响，实现高精度控制。
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