CN106121866B - 基于压力自稳定设计的分时点火控制算法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于压力自稳定设计的分时点火控制算法及系统，包括：根据固体姿控发动机的工况和工作特性，通过动力装置气动力学模型预测排气流量Q_o和时间t_o；实时采集储气容器的压力P，并通过储气容器有效气量计算模型计算储气容器内有效产气量M；通过储气容器气体温度计算模型计算储气容器内的气体温度T，并根据气体温度T对压力阈值进行修正；以气量输入、输出实现最佳匹配为原则，通过控制算法比较M与Q_ot_o及P与压力阈值的大小关系来确定固体姿控发动机脉冲工作单元的点火数量和时机。本发明实现了产气量脉冲输入与排气量间歇输出之间的最佳匹配，使得储气容器的压力波动范围更小，气体利用效率更高。

Description

基于压力自稳定设计的分时点火控制算法及系统

技术领域

本发明涉及固体姿控发动机技术领域，尤其涉及基于压力自稳定设计的分时点火控制算法及系统。

背景技术

在固体姿控发动机中，通常由推进剂或火药燃烧产生高温高压气体来实现动力输出。在许多应用场合中输出的动力在时间上是间断的、在数值大小上是变化的，推进剂或火药燃烧后的不规律输出使得固体姿控发动机无法进行气路启闭控制和气路流量控制。通常采用的解决方案是将一系列固体姿控发动机脉冲工作单元与储气容器连通，先将推进剂或火药燃烧产生的气体存储于储气容器中，再由储气容器向外排气产生动力，依靠储气容器压力变化的缓冲效应实现输入输出气量的匹配。此种应用中，输入是一系列作用时间和流量大小固定的脉冲工作单元，而输出是作用时间和流量大小变化的，控制算法需要解决的关键在于如何实现推进剂或火药燃烧产气和动力需求气量之间的最佳匹配。当固体姿控发动机需求气量变化或无法精确预知时，通常固定时序的控制方法不能实现气量输入输出的匹配，必然导致储气容器的压力过高或不足，不能满足使用要求。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供基于压力自稳定设计的分时点火控制算法及系统。

为实现上述目的，本发明提供一种基于压力自稳定设计的分时点火控制算法，包括：

步骤1、根据固体姿控发动机的工况和工作特性，通过动力装置气动力学模型预测排气流量Q_o和时间t_o；

步骤2、实时采集储气容器的压力P，并通过储气容器有效气量计算模型计算储气容器内有效产气量M；

步骤3、通过储气容器气体温度计算模型计算储气容器内的气体温度T，并根据气体温度T对压力阈值进行修正，所述压力阈值包括中值压力阈值P_mean，高压阈值P_max和低压阈值P_min；

步骤4、以气量输入、输出实现最佳匹配为原则，通过控制算法比较M与Q_ot_o及P与压力阈值的大小关系来确定固体姿控发动机脉冲工作单元的点火数量和时机。

作为本发明的进一步改进，所述控制算法为：

①、若M≥Q_ot_o，固体姿控发动机脉冲工作单元不点火；

②、若M<Q_ot_o且P≥P_mean，以排气流量Q_o与固体姿控发动机脉冲工作单元产气流量Q_i的比值向下取整确定固体姿控发动机脉冲工作单元的点火数量，以开始排气时间确定点火时机；

③、若M<Q_ot_o且P<P_mean，以Q_o/Q_i向上取整确定固体姿控发动机脉冲工作单元的点火数量,以开始排气时间确定点火时机；

④、若P<P_min且Q_i<Q_o，即压力低于设定低压阈值且处于下降趋势时，立即控制一套固体姿控发动机脉冲工作单元点火；

⑤、若P>P_max且Q_i>Q_o，即压力高于设定高压阈值且处于上升趋势时，控制泄压装置排气，保证储气容器安全。

作为本发明的进一步改进，当储气容器内的有效产气量M能供固体姿控发动机作动需求时，固体姿控发动机脉冲工作单元不点火。

作为本发明的进一步改进，当储气容器实测压力高于中值压力阈值时，控制储气容器的产气流量小于排气流量，使压力下降；当储气容器实测压力低于中值压力阈值时，控制储气容器的产气流量大于排气流量，使压力上升；即储气容器压力始终向中值压力阈值方向变化。

作为本发明的进一步改进，当储气容器实测压力低于低压阈值且排气流量大于产气流量时，压力呈下降趋势，控制一套固体姿控发动机脉冲工作单元点火，防止储气容器的压力不足。

作为本发明的进一步改进，当储气容器实测压力大于高压阈值且排气流量小于产气流量时，压力呈上升趋势，控制泄压装置开始排气，防止储气容器压力过高。

作为本发明的进一步改进，高压阈值P_max＝12MPa，中值压力阈值P_mean＝10MPa,低压阈值P_min＝8MPa，保证储气容器压力始终控制在8MPa～12MPa区间之内。

本发明提供一种基于压力自稳定设计的分时点火控制系统，包括：多套固体姿控发动机脉冲工作单元、储气容器、压力变送器、控制器、动力装置和泄压装置；

所有所述固体姿控发动机脉冲工作单元均与所述储气容器相连通，用于向储气容器内进气；

所述压力变送器安装在所述储气容器上，用于实时采集储气容器的压力，并将压力转换为电信号发送至控制器；

所述动力装置与所述储气容器相连通，所述泄压装置与所述储气容器相连通；

所述控制器内集成分时点火控制算法，分别与所述固体姿控发动机脉冲工作单元、压力变送器、动力装置和泄压装置相连，用于对固体姿控发动机脉冲工作单元进行独立点火控制、对泄压装置进行泄压控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、实现了产气量脉冲输入与排气量间歇输出之间的最佳匹配，使得储气容器的压力波动范围更小，气体利用效率更高；

2、本发明原理清晰、工作可靠，通用于固体姿控发动机，特别适合一些固体姿控发动机的特殊输出场合；

3、本发明采用闭环反馈系统，实现了输入输出的最佳匹配，降低了作动介质的浪费，提高了作动介质的做功效率；

4、本发明不受武器系统输入输出工作特性的影响，自身具有良好的通用性，只需要修改设置参数就能够适用于各种多脉冲固体姿控发动机。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的基于压力自稳定设计的分时点火控制系统的框架图；

图2为本发明一种实施例公开的基于压力自稳定设计的分时点火控制算法的模块图；

图3为一种实施例公开的基于压力自稳定设计的分时点火控制算法的流程图。

图中：

1、固体姿控发动机脉冲工作单元；2、储气容器；3、压力变送器；4、控制器；5、动力装置；6、泄压装置；7、动力装置气动力学模型；8、储气容器有效气量计算模型；9、气体温度计算模型；10、压力阈值修正模型。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1所示，本发明提供一种基于压力自稳定设计的分时点火控制系统，包括：多套固体姿控发动机脉冲工作单元1、储气容器2、压力变送器3、控制器4、动力装置5和泄压装置6；

所有固体姿控发动机脉冲工作单元1均与储气容器2相连通，用于根据控制器4的指令向储气容器2内进气；

压力变送器3安装在储气容器2上，用于实时采集储气容器2的压力，并将压力转换为电信号发送至控制器4；动力装置5与储气容器2相连通，泄压装置6与储气容器2相连通；控制器4内集成分时点火控制算法，分别与固体姿控发动机脉冲工作单元1、压力变送器3、动力装置5和泄压装置6相连，用于对固体姿控发动机脉冲工作单元进行独立点火控制、对泄压装置进行泄压控制。

如图2所示，本实施例中控制算法集成了动力装置气动力学模型7、储气容器有效气量计算模型8、气体温度计算模型9；其中，动力装置气动力学模型是基于气体动力学理论建立的模型，用于在线对动力装置的输出流量Q_o和时间t_o进行预测；储气容器有效气量计算模型是基于气体状态方程建立的模型，用于计算储气容器有效气量M；储气容器气体温度计算模型是基于热力学第二定律与传热学对流换热方程建立的模型，用于计算储气容器内的气体温度T。计算得到的气体温度T根据压力阈值修正模型10对压力阈值P_mean、P_min、P_max进行修正，有效的提高了压力控制的精度；压力阈值修正模型是基于气体状态方程建立的模型。

如图3所示，本发明提供一种基于压力自稳定设计的分时点火控制算法，包括：

步骤1、对控制系统的参数进行初始化；

步骤2、初始化后先击发若干套固体姿控发动机脉冲工作单元点火，直至压力变送器采集的储气容器压力P高于设置的低压阈值P_min；

步骤3、根据固体姿控发动机的工况和工作特性，通过动力装置气动力学模型预测排气流量Q_o和时间t_o；

步骤4、根据压力变送器3实时采集储气容器的压力P，并通过储气容器有效气量计算模型计算储气容器内有效产气量M；

步骤5、通过储气容器气体温度计算模型计算储气容器内的气体温度T，并根据气体温度T对压力阈值进行修正，压力阈值包括中值压力阈值P_mean，高压阈值P_max和低压阈值P_min；

步骤6、以气量输入、输出实现最佳匹配为原则，通过控制算法比较M与Q_ot_o及P与压力阈值的大小关系来确定固体姿控发动机脉冲工作单元的点火数量和时机，控制算法循环工作直至所有固体姿控发动机脉冲工作单元作用完毕。其中：

①、若M≥Q_ot_o，固体姿控发动机脉冲工作单元不点火；

②、若M<Q_ot_o且P≥P_mean，以排气流量Q_o与固体姿控发动机脉冲工作单元产气流量Q_i的比值向下取整确定固体姿控发动机脉冲工作单元的点火数量，以开始排气时间确定点火时机；

③、若M<Q_ot_o且P<P_mean，以Q_o/Q_i向上取整确定固体姿控发动机脉冲工作单元的点火数量,以开始排气时间确定点火时机；

④、若P<P_min且Q_i<Q_o，即压力低于设定低压阈值且处于下降趋势时，立即控制一套固体姿控发动机脉冲工作单元点火；

⑤、若P>P_max且Q_i>Q_o，即压力高于设定高压阈值且处于上升趋势时，控制泄压装置排气，保证储气容器安全。

进一步，当储气容器内的有效产气量M能供固体姿控发动机作动需求时，固体姿控发动机脉冲工作单元不点火。

进一步，当储气容器实测压力高于中值压力阈值时，控制储气容器的产气流量小于排气流量，使压力下降；当储气容器实测压力低于中值压力阈值时，控制储气容器的产气流量大于排气流量，使压力上升；即储气容器压力始终向中值压力阈值方向变化。

进一步，当储气容器实测压力低于低压阈值且排气流量大于产气流量时，压力呈下降趋势，控制一套固体姿控发动机脉冲工作单元点火，防止储气容器的压力不足。

进一步，当储气容器实测压力大于高压阈值且排气流量小于产气流量时，压力呈上升趋势，控制泄压装置开始排气，防止储气容器压力过高。

进一步，高压阈值P_max＝12MPa，中值压力阈值P_mean＝10MPa,低压阈值P_min＝8MPa，保证储气容器压力始终控制在8MPa～12MPa区间之内。

本发明提供基于压力自稳定设计的分时点火控制算法及系统，具有以下优点：

1、实现了产气量脉冲输入与排气量间歇输出之间的最佳匹配，使得储气容器的压力波动范围更小，气体利用效率更高；

2、本发明原理清晰、工作可靠，通用于固体姿控发动机，特别适合一些固体姿控发动机的特殊输出场合；

3、本发明采用闭环反馈系统，实现了输入输出的最佳匹配，降低了作动介质的浪费，提高了作动介质的做功效率；

4、本发明不受武器系统输入输出工作特性的影响，自身具有良好的通用性，只需要修改设置参数就能够适用于各种多脉冲固体姿控发动机。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于压力自稳定设计的分时点火控制算法，其特征在于，包括：

步骤1、根据固体姿控发动机的工况和工作特性，通过动力装置气动力学模型预测排气流量Q_o和时间t_o；

步骤2、实时采集储气容器的压力P，并通过储气容器有效气量计算模型计算储气容器内有效产气量M；

步骤3、通过储气容器气体温度计算模型计算储气容器内的气体温度T，并根据气体温度T对压力阈值进行修正，所述压力阈值包括中值压力阈值P_mean，高压阈值P_max和低压阈值P_min；

步骤4、以气量输入、输出实现最佳匹配为原则，通过控制算法比较M与Q_ot_o及P与压力阈值的大小关系来确定固体姿控发动机脉冲工作单元的点火数量和时机。

2.如权利要求1所述的基于压力自稳定设计的分时点火控制算法，其特征在于，所述控制算法为：

①、若M≥Q_ot_o，固体姿控发动机脉冲工作单元不点火；

②、若M<Q_ot_o且P≥P_mean，以排气流量Q_o与固体姿控发动机脉冲工作单元产气流量Q_i的比值向下取整确定固体姿控发动机脉冲工作单元的点火数量，以开始排气时间确定点火时机；

③、若M<Q_ot_o且P<P_mean，以Q_o/Q_i向上取整确定固体姿控发动机脉冲工作单元的点火数量,以开始排气时间确定点火时机；

④、若P<P_min且Q_i<Q_o，即压力低于设定低压阈值且处于下降趋势时，立即控制一套固体姿控发动机脉冲工作单元点火；

⑤、若P>P_max且Q_i>Q_o，即压力高于设定高压阈值且处于上升趋势时，控制泄压装置排气，保证储气容器安全。

3.如权利要求1所述的基于压力自稳定设计的分时点火控制算法，其特征在于，当储气容器内的有效产气量M能供固体姿控发动机作动需求时，固体姿控发动机脉冲工作单元不点火。

4.如权利要求1所述的基于压力自稳定设计的分时点火控制算法，其特征在于，当储气容器实测压力高于中值压力阈值时，控制储气容器的产气流量小于排气流量，使压力下降；当储气容器实测压力低于中值压力阈值时，控制储气容器的产气流量大于排气流量，使压力上升；即储气容器压力始终向中值压力阈值方向变化。

5.如权利要求1所述的基于压力自稳定设计的分时点火控制算法，其特征在于，当储气容器实测压力低于低压阈值且排气流量大于产气流量时，压力呈下降趋势，控制一套固体姿控发动机脉冲工作单元点火，防止储气容器的压力不足。

6.如权利要求1所述的基于压力自稳定设计的分时点火控制算法，其特征在于，当储气容器实测压力大于高压阈值且排气流量小于产气流量时，压力呈上升趋势，控制泄压装置开始排气，防止储气容器压力过高。

7.如权利要求1所述的基于压力自稳定设计的分时点火控制算法，其特征在于，高压阈值P_max＝12MPa，中值压力阈值P_mean＝10MPa,低压阈值P_min＝8MPa，保证储气容器压力始终控制在8MPa～12MPa区间之内。

8.一种如权利要求1所述的基于压力自稳定设计的分时点火控制算法的控制系统，其特征在于，包括：多套固体姿控发动机脉冲工作单元、储气容器、压力变送器、控制器、动力装置和泄压装置；

所有所述固体姿控发动机脉冲工作单元均与所述储气容器相连通，用于向储气容器内进气；

所述压力变送器安装在所述储气容器上，用于实时采集储气容器的压力，并将压力转换为电信号发送至控制器；

所述动力装置与所述储气容器相连通，所述泄压装置与所述储气容器相连通；

所述控制器内集成分时点火控制算法，分别与所述固体姿控发动机脉冲工作单元、压力变送器、动力装置和泄压装置相连，用于对固体姿控发动机脉冲工作单元进行独立点火控制、对泄压装置进行泄压控制。