CN113157010A - 深度变推力发动机推力调控方法、装置及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种深度变推力发动机推力调控方法、装置及电子设备。首先，可以获取推进剂系统及发送机的控制参数的目标值和测量值，以及发动机的目标推力及当前推力；然后，针对于固定推力阶段，基于控制参数的目标值和测量值进行调控，使当前状态与目标状态不断趋近，直至满足限定条件；针对于推力调节阶段，通过预设的变推力过程分级参数将其分为多个子阶段，并根据子阶段的参数调控过程中的喷注压降比及氧燃比，调整上述分级参数，进而调整子阶段数量，最终完成推力调整过程。本发明通过对推进剂系统及发动机的控制参数的目标值及测量值，以及分级参数的协调，提高了变推力发动机在固定推力阶段的推力准确度和推力调节阶段的发动机工作稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及控制技术领域，尤其是涉及一种深度变推力发动机推力调控方法、装置及电子设备。
背景技术
火箭发动机的变工况调节过程非常复杂。相关技术中，通常采用多个预定工作值切换使用的方式对变推力发动机进行控制。然而，该方式的控制精度较低，基于该方式得到的发动机实际推力偏差较大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种深度变推力发动机推力调控方法、装置及电子设备，以提高对发动机的控制精度。
第一方面，本发明实施例提供了一种深度变推力发动机推力调控方法，该方法应用于控制器；控制器与推进剂系统及发动机连接，推进剂系统与发动机连接；该方法包括：获取推进剂系统的目标控制参数和当前控制参数，发动机的目标参数、当前参数、目标推力、当前推力及所处的工作阶段；工作阶段包括固定推力阶段或推力调节阶段；根据工作阶段、目标控制参数、当前控制参数、目标参数、当前参数、目标推力及当前推力，控制推进剂系统将推进剂输送至发动机，以使发动机产生对应的推力。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，目标控制参数包括流经推进剂系统的推进剂的目标流量；当前控制参数包括推进剂的当前测量流量；推进剂系统包括流量调节器和流量计；发动机包括喷注器及燃烧室；目标参数包括喷注器目标压降比、燃烧室目标压力；当前参数包括喷注器集液腔实测压力、燃烧室实测压力；当工作阶段为固定推力阶段时，根据工作阶段、目标控制参数、当前控制参数、目标参数、当前参数、目标推力及当前推力，控制推进剂系统将推进剂输送至发动机，以使发动机产生对应的推力的步骤，包括：根据目标流量、当前测量流量及预设的第一误差阈值，采用预设的第一控制算法，生成第一控制信号，以调节流量调节器的开度，使目标流量、当前测量流量及预设的第一误差阈值满足预设的第一关系；根据喷注器目标压降比、燃烧室目标压力、目标流量、喷注器集液腔当前测量压力、燃烧室当前测量压力及预设的第二误差阈值，采用预设的第二控制算法，生成第二控制信号，以调节喷注器的针栓位置，使喷注器集液腔当前测量压力、燃烧室当前测量压力、喷注器目标压降比及第二误差阈值满足预设的第二关系；获取更新后的当前推力；基于目标推力与当前推力，计算推力误差；判断推力误差是否小于预设的第三误差阈值；如果大于或等于，基于目标推力及当前推力，更新目标流量，继续执行根据更新后的目标流量、更新后的当前测量流量及预设的第一误差阈值，采用预设的控制算法，生成第一控制信号的步骤；如果小于，基于当前的第一控制信号及第二控制信号，继续控制推进剂系统将推进剂输送至发动机，以使发动机产生对应的推力。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，根据目标流量、当前测量流量及预设的第一误差阈值，采用预设的控制算法，生成第一控制信号，以调节流量调节器的开度，使目标流量、当前测量流量及预设的第一误差阈值满足预设的第一关系的步骤，包括：基于目标流量及当前测量流量，计算推进剂流量误差；判断推进剂流量误差是否大于或等于预设的第一误差阈值；如果大于或等于，基于目标流量及当前测量流量，采用预设的控制算法，生成第一控制信号，以通过第一控制信号改变流量调节器的开度，更新当前测量流量；继续执行基于目标流量及更新后的当前测量流量，计算推进剂流量误差的步骤，直至推进剂流量误差小于第一误差阈值。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述推进剂系统包括第一系统及第二系统；第一系统包括第一流量调节器及第一流量计；第二系统包括第二流量调节器及第二流量计；目标流量包括第一系统对应的第一目标流量，以及第二系统对应的第二目标流量；当前测量流量包括第一系统的第一测量流量，以及第二系统的第二测量流量；第一测量流量通过第一流量计测得；第二测量流量通过第二流量计测得；第一控制信号包括第一子信号及第二子信号；基于目标控制参数及当前控制参数，采用预设的控制算法，生成第一控制信号，以通过第一控制信号改变流量调节器的开度，更新当前测量流量的步骤，包括：基于第一目标流量及第一测量流量，采用PID负反馈算法，生成第一子信号，以通过第一子信号改变第一流量调节器的开度，更新第一测量流量；基于第二目标流量及第二测量流量，采用PID负反馈算法，生成第二子信号，以通过第二子信号改变第二流量调节器的开度，更新第二测量流量。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，基于目标推力及当前推力，更新目标控制参数的步骤，包括：计算当前推力与目标推力的比值；将目标控制参数与比值的乘积确定为更新后的目标控制参数。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，根据喷注器目标压降比、燃烧室目标压力、目标流量、喷注器集液腔当前测量压力、燃烧室当前测量压力及预设的第二误差阈值，采用预设的第二控制算法，生成第二控制信号，以调节喷注器的针栓位置，使喷注器集液腔当前测量压力、燃烧室当前测量压力、喷注器目标压降比及第二误差阈值满足预设的第二关系的步骤，包括：基于预设的喷注器目标压降比、燃烧室目标压力、目标流量，以及预先获取的喷注器的环缝周长，计算喷注器的初步针栓位置；控制喷注器的针栓移动至初步针栓位置；获取集液腔的当前压力，燃烧室当前测量压力；基于集液腔的当前压力及燃烧室当前测量压力，计算发动机的当前喷注压降比；基于当前喷注压降比及喷注器目标压降比，计算压降比误差；判断压降比误差是否小于预设的第二误差阈值；如果大于或等于，基于集液腔的当前压力以及燃烧室当前测量压力，采用预设的控制算法，生成第二控制信号，控制喷注器的针栓移动至第二控制信号对应的针栓位置，继续执行获取集液腔的当前压力，以及燃烧室当前测量压力的步骤，直至压降比误差小于第二误差阈值。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，当工作阶段为推力调节阶段时，推进剂系统包括第一系统及第二系统；目标控制参数包括第一系统对应的第一调节前目标流量、第一调节后目标流量，以及第二系统对应的第二调节前目标流量、第二调节后目标流量；当前控制参数包括第一系统的第一测量流量、第二系统的第二测量流量；发动机包括喷注器、燃烧室及集液腔；目标参数包括燃烧室目标压力、喷注器目标压降比及变工况目标氧燃比；当前参数包括燃烧室当前测量压力、集液腔当前测量压力；根据工作阶段、目标控制参数、当前控制参数、目标参数、当前参数、目标推力及当前推力，控制推进剂系统将推进剂输送至发动机，以使发动机产生对应的推力，包括：基于第一调节前目标流量、第一调节后目标流量以及变推力过程分级参数，生成第一变工况目标流量；变推力过程分级参数预先设定得到；第一变工况目标流量包括多个第一子推进剂流量；基于第二调节前目标流量、第二调节后目标流量以及变推力过程分级参数，生成第二变工况目标流量；第二变工况目标流量包括多个第二子推进剂流量；针对于每个第一子推进剂流量，基于第一子推进剂流量及与第一子推进剂流量对应的第二子推进剂流量，控制推进剂系统将推进剂输送至发动机，以使发动机产生对应的推力；获取集液腔的当前实测压力，以及燃烧室当前实测压力；基于集液腔的当前实测压力、燃烧室当前实测压力及喷注器目标压降比，判断发动机的当前喷注压降比是否满足预设的第一条件；基于第一测量流量、第二测量流量及变工况目标氧燃比，判断发动机的当前氧燃比是否满足预设的第二条件；如果当前喷注压降比不满足第一条件和\或当前氧燃比不满足预设的第二条件，按照预设的调整参数，调整变推力过程分级参数；继续执行基于第一调节前目标流量、第一调节后目标流量以及变推力过程分级参数，生成第一变工况目标流量的步骤；如果当前喷注压降比满足第一条件，且当前氧燃比满足预设的第二条件，判断当前的第一子推进剂流量是否等于第一调节后目标流量；如果等于，将工作阶段更新为固定推力阶段；如果不等于，将当前的第一子推进剂流量更新为下一个第一子推进剂流量，将当前的第二子推进剂流量更新为下一个第二子推进剂流量，继续执行基于第一子推进剂流量及与第一子推进剂流量对应的第二子推进剂流量，控制推进剂系统将推进剂输送至发动机，以使发动机产生对应的推力的步骤。
第二方面，本发明实施例还提供一种深度变推力发动机推力调控装置，该装置设置于控制器；控制器与推进剂系统及发动机连接，推进剂系统与发动机连接；该装置包括：参数获取模块，用于获取推进剂系统的目标控制参数和当前控制参数，发动机的目标参数、当前参数、目标推力、当前推力及所处的工作阶段；工作阶段包括固定推力阶段或推力调节阶段；控制模块，用于根据工作阶段、目标控制参数、当前控制参数、目标参数、当前参数、目标推力及当前推力，控制推进剂系统将推进剂输送至发动机，以使发动机产生对应的推力。
第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，存储器存储有能够被处理器执行的机器可执行指令，处理器执行机器可执行指令以实现上述方法。
第四方面，本发明实施例还提供一种机器可读存储介质，机器可读存储介质存储有机器可执行指令，机器可执行指令在被处理器调用和执行时，机器可执行指令促使处理器实现上述方法。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供了一种深度变推力发动机推力调控方法、装置及电子设备，获取推进剂系统的目标控制参数和当前控制参数，发动机的目标参数、当前参数、目标推力、当前推力及所处的工作阶段；工作阶段包括固定推力阶段或推力调节阶段；根据工作阶段、目标控制参数、当前控制参数、目标参数、当前参数、目标推力及当前推力，控制推进剂系统将推进剂输送至发动机，以使发动机产生对应的推力。该方式中，通过目标参数及发动机、推进剂系统反馈的参数对发动机的推力进行控制，提高了对发动机参数的控制精度。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种深度变推力发动机推力调控方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种机械定位针栓式变推力发动机系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种深度变推力发动机推力调控主方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种变推力发动机变工况过程控制方法的流程图；
图5为本发明实施例提供的一种深度变推力发动机推力调控装置的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
图标：001-控制系统；301-针栓式喷注器；302-发动机身部；3011-位移机构；3012-针栓头部；3013-第一压力测点；3014-第二压力测点；101-第一推进剂贮箱；102-第一流量调节器；103-第一流量计；201-第二推进剂贮箱；202-第二流量调节器；203-第二流量计；204-第三压力测点；401-推力测量设备。
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，下面将结合附图对本发明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，本领域技术人员在没有做出创造性劳动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。
目前，近些年持续开展的载人登月、火星探测和可重复飞行器应用中，变推力火箭发动机发挥了不可替代的作用，随着任务需求的进一步丰富和发动机控制水平的不断提升，变推力火箭发动机的极宽范围推力变化、发动机变工况过程的精确控制、推力参数为反馈的闭环控制系统成为目前研究的热点和急需突破的方向。
在推力调控方式中，发动机的变工况调节过程非常复杂，未提出多路调节的过程耦合控制方法，调节过程中容易出现发动机氧燃比、喷注器压降偏离设计值，造成发动机熄火、不稳定燃烧、热负荷过大等问题，导致发动机关机或损坏。
目前的推力调节方案使用多个预定工作值切换使用的方式，氧化剂流量、燃料流量的调节通过几个开度值的变化实现，未采用发动机实际工作参数作为反馈量进行调整，一方面无法在使用过程中进行非设计工况的调节，另一方面未采用闭环控制，发动机的实际推力可能会出现偏差。
上述方式推力变比小，目前国内实际应用的变推力火箭发动机的推力变比仅5:1，地面热试车的最大推力变比15:1，无法满足未来进一步的发展需求；使用流量定位的针栓喷注器调节方案，推力升降调节过程不重合，产生迟滞环。
基于此，本发明实施例提供的一种深度变推力发动机推力调控方法、装置以及电子设备，可以应用于各种变推力发动机的调控过程中。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种深度变推力发动机推力调控方法进行详细介绍。
本发明实施例提供了一种深度变推力发动机推力调控方法，该方法应用于控制器；控制器与推进剂系统及发动机连接，推进剂系统与发动机连接；如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤S100，获取推进剂系统的目标控制参数和当前控制参数，发动机的目标参数、当前参数、目标推力、当前推力及所处的工作阶段；工作阶段包括固定推力阶段或推力调节阶段。
上述目标控制参数可以为预先设置的变推力发动机各工况的额定推力、发动机工作氧燃比等参数，基于发动机产生推力的原理计算得到。上述目标推力通常为额定推力。上述当前控制参数可以由设置在推进剂系统中的传感器测量得到。上述当前推力可以由设置在发动机中的推力测量设备测量得到。由于该发动机为变推力发动机，因此该发动机的工作阶段包括固定推力阶段和推力调节状态。该发动机的各个工作阶段对应的工作时间通常为预先设定的。
步骤S102，根据工作阶段、目标控制参数、当前控制参数、目标参数、当前参数、目标推力及当前推力，控制推进剂系统将推进剂输送至发动机，以使发动机产生对应的推力。
在具体实施过程中，当工作状态为固定推力阶段时，主要对输送至发送机的推进剂流量及发动起的喷注器压降比进行调控，然后进一步对发动机产生的推力进行调控；此时，目标控制参数为流经推进剂系统的推进剂的目标流量；当前控制参数为推进剂的当前测量流量；推进剂系统由流量调节器和流量计组成；发动机包括喷注器及燃烧室；目标参数包括喷注器目标压降比、燃烧室目标压力；当前参数包括喷注器集液腔实测压力、燃烧室实测压力。上述步骤102可以通过以下方式具体实现：
(1)根据目标流量、当前测量流量及预设的第一误差阈值，采用预设的第一控制算法，生成第一控制信号，以调节流量调节器的开度，使目标流量、当前测量流量及预设的第一误差阈值满足预设的第一关系。
首先可以基于目标流量及当前测量流量，计算推进剂流量误差；然后判断推进剂流量误差是否大于或等于预设的第一误差阈值；如果推进剂误差大于或等于第一误差阈值，则认为当前的推进剂流量与目标流量差距较大，此时，需要基于目标流量及当前测量流量，采用预设的控制算法，生成第一控制信号，以通过第一控制信号改变流量调节器的开度，更新当前测量流量；然后，再继续基于目标流量及更新后的当前测量流量，计算推进剂流量误差，直至推进剂流量误差小于第一误差阈值，此时认为对推进剂流量的调控完成。
通常情况下，推进剂系统包括两个子系统，可称为第一系统及第二系统。其中，第一系统包括第一流量调节器及第一流量计；第二系统包括第二流量调节器及第二流量计。对应地，目标流量包括第一系统的第一目标流量，以及第二系统的第二目标流量；当前测量流量包括第一系统的第一测量流量，以及第二系统的第二测量流量；第一测量流量通过第一流量计测得；第二测量流量通过第二流量计测得；第一控制信号包括第一子信号及第二子信号。
对于第一系统的推进剂流量调控过程如下：基于第一目标流量及第一测量流量，采用PID负反馈算法，生成第一子信号，以通过第一子信号改变第一流量调节器的开度，更新第一测量流量。
对于第二系统的推进剂流量调控过程如下：基于第二目标流量及第二测量流量，采用PID负反馈算法，生成第二子信号，以通过第二子信号改变第二流量调节器的开度，更新第二测量流量。
(2)根据喷注器目标压降比、燃烧室目标压力、目标流量、喷注器集液腔当前测量压力、燃烧室当前测量压力及预设的第二误差阈值，采用预设的第二控制算法，生成第二控制信号，以调节喷注器的针栓位置，使喷注器集液腔当前测量压力、燃烧室当前测量压力、喷注器目标压降比及第二误差阈值满足预设的第二关系。
在具体实施过程中，可以基于预设的喷注器目标压降比、燃烧室目标压力、目标流量，以及预先获取的喷注器的环缝周长，计算喷注器的初步针栓位置，并控制喷注器的针栓移动至初步针栓位置；然后获取集液腔的当前压力，燃烧室当前测量压力，并基于集液腔的当前压力及燃烧室当前测量压力，计算发动机的当前喷注压降比；基于当前喷注压降比及喷注器目标压降比，计算压降比误差，从而判断压降比误差是否小于预设的第二误差阈值；如果压降比误差大于或等于第二误差阈值，基于集液腔的当前压力以及燃烧室当前测量压力，采用预设的控制算法，生成第二控制信号，控制喷注器的针栓移动至第二控制信号对应的针栓位置，继续执行获取集液腔的当前压力，以及燃烧室当前测量压力的步骤，直至压降比误差小于第二误差阈值；如果压降比误差小于预设的第二误差阈值，则认为发动机的当前喷注压降比是满足需求的。
(3)获取更新后的当前推力。
(4)基于目标推力与当前推力，计算推力误差。
(5)判断推力误差是否小于预设的第三误差阈值；如果大于或等于，执行步骤(6)，如果小于，执行步骤(7)。
(6)基于目标推力及当前推力，更新目标流量；执行步骤(1)。通常情况下，可以计算当前推力与目标推力的比值，然后将目标控制参数与比值的乘积确定为更新后的目标控制参数。
(7)基于当前的第一控制信号及第二控制信号，继续控制推进剂系统将推进剂输送至发动机，以使发动机产生对应的推力。
具体而言，当发动机处于推力调节阶段时，考虑到推进剂系统包括第一系统和第二系统，目标控制参数包括第一系统对应的第一调节前目标流量、第一调节后目标流量，以及第二系统对应的第二调节前目标流量、第二调节后目标流量；此时的当前控制参数包括第一系统的第一测量流量、第二系统的第二测量流量。
发动机通常包括喷注器、燃烧室及集液腔；对应的目标参数包括燃烧室目标压力、喷注器目标压降比及变工况目标氧燃比，当前参数包括燃烧室当前测量压力、集液腔当前测量压力。推力调节阶段中，上述步骤102可以通过以下方式具体实现：
(1)基于第一调节前目标流量、第一调节后目标流量以及变推力过程分级参数，生成第一变工况目标流量；变推力过程分级参数预先设定得到；第一变工况目标流量包括多个第一子推进剂流量。
(2)基于第二调节前目标流量、第二调节后目标流量以及变推力过程分级参数，生成第二变工况目标流量；第二变工况目标流量包括多个第二子推进剂流量。
(3)针对于每个第一子推进剂流量，基于第一子推进剂流量及与第一子推进剂流量对应的第二子推进剂流量，控制推进剂系统将推进剂输送至发动机，以使发动机产生对应的推力。
(4)获取集液腔的当前实测压力，以及燃烧室当前实测压力；基于集液腔的当前实测压力、燃烧室当前实测压力及喷注器目标压降比，判断发动机的当前喷注压降比是否满足预设的第一条件。
(5)基于第一测量流量、第二测量流量及变工况目标氧燃比，判断发动机的当前氧燃比是否满足预设的第二条件；如果当前喷注压降比不满足第一条件和\或当前氧燃比不满足预设的第二条件，执行步骤(6)；如果当前喷注压降比满足第一条件，且当前氧燃比满足预设的第二条件，执行步骤(7)。
(6)按照预设的调整参数，调整变推力过程分级参数，执行步骤(1)。上述调整参数可以为预设数值，如2，3等，当调整参数为2时，调整变推力过程分级参数的过程可以为将变推力过程分级参数增大至当前分级参数的二倍。
(7)判断当前的第一子推进剂流量是否等于第一调节后目标流量；如果不等于，执行步骤(8)；如果等于，执行步骤(9)。
(8)将当前的第一子推进剂流量更新为下一个第一子推进剂流量，将当前的第二子推进剂流量更新为下一个第二子推进剂流量，执行步骤(1)。
(9)将工作阶段更新为固定推力阶段。
本发明实施例提供了一种深度变推力发动机推力调控方法，在获取推进剂系统的目标控制参数和当前控制参数，以及发动机的目标推力、当前推力及工作状态后，根据目标控制参数、当前控制参数、目标推力、当前推力、以及工作状态，控制推进剂系统将推进剂输送至发动机，以使发动机产生对应的推力。该方式中，通过目标参数及发动机、推进剂系统反馈的参数对发动机的推力进行控制，提高了对发动机参数的控制精度。
上述方法可以基于机械定位针栓式变推力发动机系统实现。如图2所示，整个系统由机械定位针栓式变推力发动机、第一推进剂供应系统(相当于上述第一系统)、第二推进剂供应系统(相当于上述第二系统)、推力测量设备、控制系统001(相当于上述控制器)等组成。
其中针栓式变推力发动机由针栓式喷注器301和发动机身部302组成，其中位移机构3011可以根据控制系统001从端口001-O2发出的指令信号进行轴向直线运动，与其机械连接的针栓头部3012也可以实现轴向直线运动，并直接改变第二推进剂的喷注面积，第一压力测点3013可以测量发动机燃烧室的压力Pc，第二压力测点3014可以测量发动机喷管出口处的压力Pe。
第一推进剂供应系统由第一推进剂贮箱101、第一流量调节器102和第一流量计103组成。其中，第一流量调节器102可以接收控制系统001从端口001-O1发出的指令信号，调整开度，从而调节第一推进剂的实际流量，第一流量计103可以实时采集第一推进剂的流量，并发送至控制系统001的端口001-I6。本实例中，第一推进剂为气态氧气，第一推进剂贮箱101为高压氧气贮箱，第一流量调节器102为气体针式调节阀(也可以是可调音速喷嘴)，第一流量计103为科氏流量计(或由压力传感器和音速喷嘴组成的组件)。
第二推进剂供应系统由第二推进剂贮箱201、第二流量调节器202、第二流量计203和第三压力测点204组成。其中，第二流量调节器202可以接收控制系统001从端口001-O3发出的指令信号，调整开度，从而调节第二推进剂的实际流量，第二流量计203可以实时采集第二推进剂的流量，并发送至控制系统001的端口001-I1，压力测点204可以测量第二推进剂腔室的压力Pf,i，并发送至控制系统001的端口001-I4。本实例中，第二推进剂为液态煤油，第二推进剂贮箱201为煤油贮箱，第二流量调节器202为电液伺服调节阀(也可以是可调文氏管)，第二流量计203为涡轮流量计(或由压力传感器和文氏管组成的组件)。
推力测量设备401可以在发动机工作期间测量发动机的实际推力Tm，并发送至控制系统001的端口001-I5，在本实例中，推力测量设备401为轴向推力台架或靶式推力架。
上述工作状态为稳定状态时的调控方式也可称为深度变推力发动机推力调控主方法，其流程图如图3所示，具体工作过程展示如下：
首先在控制系统001中设置变推力发动机各工况的额定推力Ti(i＝1～n)，各工况的工作区间ti-1～ti，发动机工作氧燃比τ。对于一个结构参数已知的发动机，喷管喉部面积At和喷管出口面积Ae是已知的，使用RPA(Rocket Propulsion Analysis)商业软件，可以计算获得发动机燃烧室内燃气的总温T*，比热比k，气体常数R，根据公式(1)～(3)，可以求得各工作区间内对应的燃烧室压力Pc,i：
T＝CF*Pc*At (I)
各工况对应的发动机推进剂总流量Mi和第一推进剂流量Mo,i、第二推进剂流量Mf,i可以通过公式(4～6)计算得到：
接下来，再输入变工况过程控制参数s。
以上为发动机工作前所有输入和计算的参数，上述工作完成后，发动机可以开始工作。
当t＝t0时，发动机开始工作，此时i＝1，工作区间为t0～t1。开始使用推力调控主方法进行发动机推力的调控，具体实现方法如下：
控制器001使用第一推进剂流量参数Mo，1和第二推进剂流量参数Mf，1，计算对应第一流量调节器102、第二流量调节器202的开度(相当于上述目标开度)，并通过端口001-O1、001-O3输出对应参数信息，同时，第一流量计103和第二流量计203采集实测流量参数mo，1和mf，1，并实时输出至端口001-I6和001-I1，通过判断实测流量与预设流量的相对差，即│(mo,i-Mo,i)/Mo,i│和│(mf,i-Mf,i)/Mf,i│，当两项相对差没有都小于2％时，使用流量调节PID(Proportion Integral Differential)负反馈程序进行实时调节，当相对差均小于2％时，进入下一步。
在上一段调控过程进行的同时，另一调控过程也同步进行，根据公式(7)～(8)计算第二推进剂集液腔额定压力Pf,i和喷注器的针栓位置Li。
Ai＝s*Li (8)
其中μ为流量系数，试验前根据实验结果给定，ρ为第二推进剂的密度，Ai为第二推进剂在针栓头部位置对应环缝的流通面积，s为环缝的周长。
第三压力测点204及第一压力测点3013实时集液腔实测压力Pfe,i和燃烧室压力Pce,i，并输入至端口(001-I4)、(001-I3)，控制器判断│[(Pfe,i-Pce,i)/Pce,i-βi]/βi│<10％是否满足，如果不满足，使用开度调节PID负反馈程序进行实时调节，直到满足时进入下一步。其中βi的计算方法由公式(9)给出，该公式为经验公式，实际使用时可根据发动机的设计情况进行调整：
当以上两调控过程均完成后，使用推力测量值Te,i判断发动机实际推力是否满足要求，推力测量值有两种计算方法，第一种直接使用推力测量设备401测量的推力实测值Te,i，适合于地面实验使用，第二种通过压力实测值进行计算，该过程需要通过压力测点采集发动机喷管出口压力Pe，并使用公式(1)～(3)计算发动机推力实测值Te,i，适合于飞行实验和地面实验使用。推力实测值传输至端口001-I5，判断│(Te,i-Ti)/Ti│<2％是否满足，若不满足，计算比例值ε＝Te,i/Ti，并更新流量参数Mo,i＝ε*Mo,i，Mf,i＝ε*Mf,i，随后重新返回流量调节的PID程序，同时，由于流量变化导致燃烧室压力变化，因此也重新返回开度调节的PID程序，直到│(Te,i-Ti)/Ti│<2％满足，发动机进入设计工作状态，随后等待进入下一个工作区间，使用变工况过程控制方法完成变工况过程后，重复使用深度变推力发动机推力调控主方法。
上述工作状态为变推力状态时，调控方式也可称为变推力发动机变工况过程控制方法，其流程图如图4所示.当发动机工作时间到达下一工况的工作区间起始点时，发动机将进行两个工作状态的转换，为了保证发动机工作稳定，热负荷不超过允许值，需要对变工况过程中的喷注压降比、氧燃比进行控制，使其与设计值的偏差维持在可接受范围内，具体实现方法如下：
赋值k＝i，根据输入的变工况过程控制参数s，计算第一推进剂单位流量变化值△Mo,k＝(Mo,k+1-Mo,k)/s，计算第二推进剂单位流量变化值△Mo,k＝(Mo,k+1-Mo,k)/s，计算喷注器针栓位移单位变化值△Lk＝(Lk-Lk-1)/s，在此基础上更新第一推进剂流量参数Mo,k＝Mo,k+△Mo,k，第二推进剂流量参数Mo,k＝Mo,k+△Mo,k，针栓喷注器位移值Lk＝Lk+△Lk，并计算第一流量调节器102的开度、第二流量调节器(202)的开度，通过端口001-O1、001-O3、001-O2输出对应参数。接下来，第一流量计(103)采集实测流量参数mo,k并输入至端口001-I6，第二流量计(203)采集实测流量参数mf,k并输入至端口001-I1，压力测点204、3011采集集液腔实测压力Pfe,k和燃烧室压力Pce,k并输入至端口001-I4、001-I3。判断│(mo,k/mf,k-τ)/τ│<10％和│(Pfe,k-Pce,k)-βk/βk│<10％是否同时满足，如果不满足，认为变工况过程控制参数偏小，发动机流量和针栓位移的变化过程过快，一次改变变工况过程控制参数s＝s*2，如果满足，则沿用目前给定的变工况过程控制参数。下一步，判断目前的设计流量是否达到了下一工况的给定流量，如果没有，则继续更新流量参数和位移值，直到完成变工况过程。
表1给出了实际实验获得的参数，可以看到，发动机氧燃比在1.36～1.51之间变化，与设计值1.4差别较小，煤油压降比也随着燃烧室压力的增加而降低，与设计的变化趋势一致，变推力发动机实现的实际推力范围为21.3N～864.7N，推力变比达到了40倍。
表1
上述方法中，在发动机处于稳定工作状态时，以发动机推力、氧化剂流量、燃料流量为输入参数进行闭环负反馈控制控制，即1、使用发动机实测推力为一级闭环反馈输入量，氧化剂流量和燃料流量为二级闭环反馈输入量，在发动机工作过程中实时修正推力值，实现发动机推力的精确控制和调整；在防冻剂处于变推力工作状态下，采用氧化剂流量、燃料流量、针栓位置调节过程的耦合控制方法，该方式在推力调节过程中，实现发动机氧燃比、喷嘴压降比的稳定，保证发动机的工作稳定，热载荷不超过允许值。上述方法使得推力变比范围极大提高，实际实验的推力变比超过40:1。
对应于上述方法实施例，本发明实施例还提供一种深度变推力发动机推力调控装置，该装置设置于控制器；控制器与推进剂系统及发动机连接，推进剂系统与发动机连接；如图5所示，该装置包括：
参数获取模块500，用于获取推进剂系统的目标控制参数和当前控制参数，发动机的目标参数、当前参数、目标推力、当前推力及所处的工作阶段；工作阶段包括固定推力阶段或推力调节阶段；
控制模块502，用于根据工作阶段、目标控制参数、当前控制参数、目标参数、当前参数、目标推力及当前推力，控制推进剂系统将推进剂输送至发动机，以使发动机产生对应的推力。
本发明实施例提供的深度变推力发动机推力调控装置，与上述实施例提供的深度变推力发动机推力调控方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
本发明实施例还提供了一种电子设备，参见图6所示，该电子设备包括处理器130和存储器131，该存储器131存储有能够被处理器130执行的机器可执行指令，该处理器130执行机器可执行指令以实现上述深度变推力发动机推力调控方法。
进一步地，图6所示的电子设备还包括总线132和通信接口133，处理器130、通信接口133和存储器131通过总线132连接。
其中，存储器131可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口133(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。总线132可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图6中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
处理器130可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器130中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器130可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DigitalSignal Processing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器131，处理器130读取存储器131中的信息，结合其硬件完成前述实施例的方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质存储有机器可执行指令，该机器可执行指令在被处理器调用和执行时，该机器可执行指令促使处理器实现上述深度变推力发动机推力调控方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
本发明实施例所提供的深度变推力发动机推力调控方法、装置和电子设备的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，网关电子设备，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种深度变推力发动机推力调控方法，其特征在于，所述方法应用于控制器；所述控制器与推进剂系统及发动机连接，所述推进剂系统与所述发动机连接；所述方法包括：
获取所述推进剂系统的目标控制参数和当前控制参数，所述发动机的目标参数、当前参数、目标推力、当前推力及所处的工作阶段；所述工作阶段包括固定推力阶段或推力调节阶段；
根据所述工作阶段、所述目标控制参数、所述当前控制参数、所述目标参数、所述当前参数、所述目标推力及所述当前推力，控制所述推进剂系统将推进剂输送至所述发动机，以使所述发动机产生对应的推力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标控制参数包括流经所述推进剂系统的推进剂的目标流量；所述当前控制参数包括所述推进剂的当前测量流量；所述推进剂系统包括流量调节器和流量计；
所述发动机包括喷注器及燃烧室；所述目标参数包括喷注器目标压降比、燃烧室目标压力；所述当前参数包括喷注器集液腔实测压力、燃烧室实测压力；
当所述工作阶段为所述固定推力阶段时，根据所述工作阶段、所述目标控制参数、所述当前控制参数、所述目标参数、所述当前参数、所述目标推力及所述当前推力，控制所述推进剂系统将推进剂输送至所述发动机，以使所述发动机产生对应的推力的步骤，包括：
根据所述目标流量、所述当前测量流量及预设的第一误差阈值，采用预设的第一控制算法，生成第一控制信号，以调节所述流量调节器的开度，使所述目标流量、所述当前测量流量及预设的第一误差阈值满足预设的第一关系；
根据所述喷注器目标压降比、所述燃烧室目标压力、所述目标流量、所述喷注器集液腔当前测量压力、所述燃烧室当前测量压力及预设的第二误差阈值，采用预设的第二控制算法，生成第二控制信号，以调节所述喷注器的针栓位置，使所述喷注器集液腔当前测量压力、燃烧室当前测量压力、所述喷注器目标压降比及所述第二误差阈值满足预设的第二关系；
获取更新后的当前推力；
基于所述目标推力与当前推力，计算推力误差；
判断所述推力误差是否小于预设的第三误差阈值；
如果大于或等于，基于所述目标推力及所述当前推力，更新所述目标流量，继续执行根据更新后的目标流量、更新后的当前测量流量及预设的第一误差阈值，采用预设的控制算法，生成第一控制信号的步骤；
如果小于，基于当前的所述第一控制信号及所述第二控制信号，继续控制所述推进剂系统将推进剂输送至所述发动机，以使所述发动机产生对应的推力。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述目标流量、所述当前测量流量及预设的第一误差阈值，采用预设的控制算法，生成第一控制信号，以调节所述流量调节器的开度，使所述目标流量、所述当前测量流量及预设的第一误差阈值满足预设的第一关系的步骤，包括：
基于所述目标流量及所述当前测量流量，计算推进剂流量误差；
判断所述推进剂流量误差是否大于或等于预设的第一误差阈值；
如果大于或等于，基于所述目标流量及所述当前测量流量，采用预设的控制算法，生成第一控制信号，以通过第一控制信号改变所述流量调节器的开度，更新所述当前测量流量；继续执行基于所述目标流量及更新后的当前测量流量，计算推进剂流量误差的步骤，直至所述推进剂流量误差小于所述第一误差阈值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述推进剂系统包括第一系统及第二系统；所述第一系统包括第一流量调节器及第一流量计；所述第二系统包括第二流量调节器及第二流量计；所述目标流量包括所述第一系统对应的第一目标流量，以及所述第二系统对应的第二目标流量；所述当前测量流量包括所述第一系统的第一测量流量，以及所述第二系统的第二测量流量；所述第一测量流量通过所述第一流量计测得；所述第二测量流量通过所述第二流量计测得；所述第一控制信号包括第一子信号及第二子信号；
基于所述目标控制参数及所述当前控制参数，采用预设的控制算法，生成第一控制信号，以通过第一控制信号改变所述流量调节器的开度，更新所述当前测量流量的步骤，包括：
基于所述第一目标流量及所述第一测量流量，采用PID负反馈算法，生成第一子信号，以通过所述第一子信号改变所述第一流量调节器的开度，更新所述第一测量流量；
基于所述第二目标流量及所述第二测量流量，采用PID负反馈算法，生成第二子信号，以通过所述第二子信号改变所述第二流量调节器的开度，更新所述第二测量流量。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于所述目标推力及所述当前推力，更新所述目标控制参数的步骤，包括：
计算所述当前推力与所述目标推力的比值；
将所述目标控制参数与所述比值的乘积确定为更新后的目标控制参数。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述喷注器目标压降比、所述燃烧室目标压力、所述目标流量、所述喷注器集液腔当前测量压力、所述燃烧室当前测量压力及预设的第二误差阈值，采用预设的第二控制算法，生成第二控制信号，以调节所述喷注器的针栓位置，使所述喷注器集液腔当前测量压力、燃烧室当前测量压力、所述喷注器目标压降比及所述第二误差阈值满足预设的第二关系的步骤，包括：
基于预设的喷注器目标压降比、所述燃烧室目标压力、所述目标流量，以及预先获取的所述喷注器的环缝周长，计算所述喷注器的初步针栓位置；
控制所述喷注器的针栓移动至所述初步针栓位置；
获取所述集液腔的当前压力，所述燃烧室当前测量压力；基于所述集液腔的当前压力及所述燃烧室当前测量压力，计算所述发动机的当前喷注压降比；
基于所述当前喷注压降比及所述喷注器目标压降比，计算压降比误差；
判断所述压降比误差是否小于预设的第二误差阈值；
如果大于或等于，基于所述集液腔的当前压力以及所述燃烧室当前测量压力，采用预设的控制算法，生成第二控制信号，控制所述喷注器的针栓移动至所述第二控制信号对应的针栓位置，继续执行获取所述集液腔的当前压力，以及所述燃烧室当前测量压力的步骤，直至所述压降比误差小于所述第二误差阈值。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述工作阶段为推力调节阶段时，所述推进剂系统包括第一系统及第二系统；
所述目标控制参数包括所述第一系统对应的第一调节前目标流量、第一调节后目标流量，以及所述第二系统对应的第二调节前目标流量、第二调节后目标流量；所述当前控制参数包括所述第一系统的第一测量流量、所述第二系统的第二测量流量；所述发动机包括喷注器、燃烧室及集液腔；所述目标参数包括燃烧室目标压力、喷注器目标压降比及变工况目标氧燃比；所述当前参数包括燃烧室当前测量压力、集液腔当前测量压力；
根据所述工作阶段、所述目标控制参数、所述当前控制参数、所述目标参数、所述当前参数、所述目标推力及所述当前推力，控制所述推进剂系统将推进剂输送至所述发动机，以使所述发动机产生对应的推力，包括：
基于所述第一调节前目标流量、所述第一调节后目标流量以及变推力过程分级参数，生成第一变工况目标流量；所述变推力过程分级参数预先设定得到；所述第一变工况目标流量包括多个第一子推进剂流量；
基于所述第二调节前目标流量、所述第二调节后目标流量以及变推力过程分级参数，生成第二变工况目标流量；所述第二变工况目标流量包括多个第二子推进剂流量；
针对于每个第一子推进剂流量，基于所述第一子推进剂流量及与所述第一子推进剂流量对应的第二子推进剂流量，控制所述推进剂系统将推进剂输送至所述发动机，以使所述发动机产生对应的推力；
获取所述集液腔的当前实测压力，以及所述燃烧室当前实测压力；
基于所述集液腔的当前实测压力、所述燃烧室当前实测压力及所述喷注器目标压降比，判断所述发动机的当前喷注压降比是否满足预设的第一条件；
基于所述第一测量流量、所述第二测量流量及所述变工况目标氧燃比，判断所述发动机的当前氧燃比是否满足预设的第二条件；
如果所述当前喷注压降比不满足第一条件和\或所述当前氧燃比不满足预设的第二条件，按照预设的调整参数，调整所述变推力过程分级参数；继续执行基于所述第一调节前目标流量、所述第一调节后目标流量以及变推力过程分级参数，生成第一变工况目标流量的步骤；
如果所述当前喷注压降比满足第一条件，且所述当前氧燃比满足预设的第二条件，判断当前的第一子推进剂流量是否等于所述第一调节后目标流量；
如果等于，将所述工作阶段更新为固定推力阶段；
如果不等于，将当前的第一子推进剂流量更新为下一个第一子推进剂流量，将当前的第二子推进剂流量更新为下一个第二子推进剂流量，继续执行基于所述第一子推进剂流量及与所述第一子推进剂流量对应的第二子推进剂流量，控制所述推进剂系统将推进剂输送至所述发动机，以使所述发动机产生对应的推力的步骤。
8.一种深度变推力发动机推力调控装置，其特征在于，所述装置设置于控制器；所述控制器与推进剂系统及发动机连接，所述推进剂系统与所述发动机连接；所述装置包括：
参数获取模块，用于获取所述推进剂系统的目标控制参数和当前控制参数，所述发动机的目标参数、当前参数、目标推力、当前推力及所处的工作阶段；所述工作阶段包括固定推力阶段或推力调节阶段；
控制模块，用于根据所述工作阶段、所述目标控制参数、所述当前控制参数、所述目标参数、所述当前参数、所述目标推力及所述当前推力，控制所述推进剂系统将推进剂输送至所述发动机，以使所述发动机产生对应的推力。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的机器可执行指令，所述处理器执行所述机器可执行指令以实现权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种机器可读存储介质，其特征在于，所述机器可读存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现权利要求1-7任一项所述的方法。
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