CN113375602B - 一种基于光栅传感器的发动机摆角测量系统标定补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光栅传感器的发动机摆角测量系统标定补偿方法，通过地面测试获得光栅传感器的测量精度，可进一步确认是否满足测量指标要求，同时通过几何分析的方法进一步获得正交干扰带来的摆角测量铰链偏差计算公式，消除了在半实物仿真试验中双向摇摆带来的铰链干扰误差，同时采用高分辨率的阶梯信号标定方法获取正交方向不同预摆角状态下的摆角传感器静态零位和线性度，并在半实物仿真试验过程中，可将正交方向的摆角作为输入，根据几何分析和拟合计算得到的公式实时修正摆角测量值。摆角测量的精确度远大于现有方法。

Description

一种基于光栅传感器的发动机摆角测量系统标定补偿方法

技术领域

本发明涉及一种基于光栅传感器的发动机摆角测量系统标定补偿方法，属于运载火箭控制系统半实物仿真领域。

背景技术

绝对式光栅尺是一种线位移传感器，广泛的使用在现代测量仪器中，其具有抗干扰性强、无累计误差、位置计算在读数头内完成、通信可靠等优点，因此近年来运载火箭半实物仿真试验中也应用此产品作为摆角测量设备。

运载火箭通过控制发动机双向摇摆来实现推力矢量控制，在半实物仿真试验中，无法应用真实的火箭箭体进行火箭姿态运动模拟，只能应用高性能计算机进行箭体模型解算，真实发动机摆角作为模型的输入，光栅摆角传感器作为摆角测量机构，其测量精度是需要关注的重点问题。光栅摆角传感器的主要测量误差来自于：1-安装误差和双向摇摆带来的耦合误差；2-发动机零位可能发生的小幅偏移以及耦合状态下发动机机架变形带来的偏差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，光栅摆角传感器存在测量误差，难以精确实现火箭姿态精确运动模拟的问题，提出了一种基于光栅传感器的发动机摆角测量系统标定补偿方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于光栅传感器的发动机摆角测量系统标定补偿方法，步骤如下：

(1)搭建地面测试系统；

所述地面测试系统包括光栅摆角传感器、摆角信号综合控制柜、数据采集/处理工控机；光栅摆角传感器平放于地面测试桌上；

(2)确认测试线路连接正确且信号接收情况正常，对光栅摆角传感器进行静态标定，将光栅摆角传感器的光栅尺分别拉至最大位移、最小位移，并记录数据采集/处理工控机采集的光栅尺位置数据，根据光栅尺精度及光栅摆角传感器的摆角范围计算实际测量精度，并对照标定补偿任务进行判断是否满足需求；

(3)将光栅摆角传感器安装于发动机喷管处，搭建装机状态光栅传感器标定系统；

所述装机状态光栅传感器标定系统包括光栅摆角传感器、摆角信号综合控制柜、数据采集/处理工控机、伺服控制器、伺服机构及配套设备，

(4)根据发动机喷管几何参数计算摆角测量铰链偏差

(5)由数据采集/处理工控机向伺服控制器发送测试信号，其中，Y向、Z向为双向摇摆发动机的摆动方向且方向正交，通过伺服控制器控制控制Y向、Z向的伺服机构运动，并通过数据采集/处理工控机记录测试信号；

(6)向Z向伺服机构发送摆角为0的测试信号，向Y向伺服机构发送阶梯上升的测试信号，伺服机构开始工作后带动发动机进行Y向摇摆，通过数据采集/处理工控机接收光栅摆角传感器发送的数字信号；

(7)向Z向伺服机构发送预设摆角的测速信号，至Z向伺服机构摆动一定角度Δθ_n后，根据摆角测量铰链偏差

向Y向伺服机构发送基体上升的测试信号，伺服机构开始工作后带动发动机进行Y向摇摆，通过数据采集/处理工控机实时接收Z向伺服机构发送的同预摆角Δθ_n状态下的数字信号y_n，获取发动机喷管Y向的真实摆角传感器伸缩长度y_n真；

(8)根据计算所得测试信号数据进行分析，确定正交方向下，不同预设摆角状态下光栅摆角传感器的静态标定公式；

(9)根据预设摆角值对步骤(8)所得静态标定公式的系数进行插值，获取插值表，并于任一时刻t，对正交方向的Z向预设摆角进行采集，以采集数据减去正交方向预摆角影响

根据正交方向的Z向预设摆角于插值表中查询对应静态标定公式的系数，计算Y向真实摆角值，完成标定补偿。

所述步骤(1)中，通过地面测试系统对待测试设备进行测试，待测试设备为光栅摆角传感器，所述地面测试系统及装机状态光栅传感器标定系统中，摆角信号综合控制柜为光栅摆角传感器供电并采集摆角信息，将所得信息以数字信号形式发送至采集/处理工控机。

所述步骤(4)中，摆角测量铰链偏差

的计算公式具体为：

式中：Δθ_z为Z向预设摆角；

x为Z向预设摆角为Δθ_z时，Y向摆角传感器上支点位移；

y₀为Y向摆角传感器零位长度；

d为发动机喷管摇摆中心O到Y向摆角传感器上支点在喷管中心线投影点O’的距离。

所述真实摆角传感器伸缩长度y_n真的计算公式如下：

所述正交方向下，不同预设摆角状态下光栅摆角传感器的静态标定公式具体为：

式中，Δθ_z为Z方向的预摆信号，y_真n为Y方向摆动引起的传感器真实伸缩长度，x为为Y方向的输入信号(input)，k_n为线性度修正系数，L_静n为静态标定零位，不同预摆信号提供的预设摆角状态下，对应的线性度修正系数与静态标定零位通过试验数据进行拟合获取。

所述Y向真实摆角值的计算方法为：

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种基于光栅传感器的发动机摆角测量系统标定补偿方法，通过地面测试获得光栅传感器的测量精度，可进一步确认是否满足测量指标要求，同时通过几何分析的方法进一步获得正交干扰带来的摆角测量铰链偏差计算公式，消除了在半实物仿真试验中双向摇摆带来的铰链干扰误差；

(2)本发明采用高分辨率的阶梯信号标定方法获取正交方向不同预摆角状态下的摆角传感器静态零位和线性度，并在半实物仿真试验过程中，可将正交方向的摆角作为输入，根据几何分析和拟合计算得到的公式实时修正摆角测量值。摆角测量的精确度远大于现有方法。

附图说明

图1为发明提供的地面静态测试系统示意图；

图2为发明提供的摆角传感器安装位置示意图；

图3为发明提供的摆角传感器几何位置关系示意图；

图4为发明提供的空间静态标定关系测试图；

图5为发明提供的标定补偿方法流程示意图；

具体实施方式

一种基于光栅传感器的发动机摆角测量系统标定补偿方法，通过地面测试获得光栅传感器的测量精度，进一步确认是否满足测量指标要求，同时通过几何分析的方法进一步获得正交干扰带来的摆角测量铰链偏差计算公式，消除了在半实物仿真试验中双向摇摆带来的铰链干扰误差，能够通过高分辨率的阶梯信号标定方法获取正交方向不同预摆角状态下的摆角传感器静态零位和线性度。

基于光栅传感器的发动机摆角测量系统标定补偿方法的具体流程如下：

(1)搭建地面测试系统；

所述地面测试系统包括光栅摆角传感器、摆角信号综合控制柜、数据采集/处理工控机；光栅摆角传感器平放于地面测试卓上；

(2)确认测试线路连接正确且信号接收情况正常，对光栅摆角传感器进行静态标定，将光栅摆角传感器的光栅尺分别拉至最大位移、最小位移，并记录数据采集/处理工控机采集的光栅尺位置数据，根据光栅尺精度及光栅摆角传感器的摆角范围计算实际测量精度，并对照标定补偿任务进行判断是否满足需求；

其中，通过地面测试系统对待测试设备进行测试，待测试设备为光栅摆角传感器，所述地面测试系统及装机状态光栅传感器标定系统中，摆角信号综合控制柜为光栅摆角传感器供电并采集摆角信息，将所得信息以数字信号形式发送至采集/处理工控机；

(3)将光栅摆角传感器安装于发动机喷管处，搭建装机状态光栅传感器标定系统；

所述装机状态光栅传感器标定系统包括光栅摆角传感器、摆角信号综合控制柜、数据采集/处理工控机、伺服控制器、伺服机构及配套设备，

(4)根据发动机喷管几何参数计算摆角测量铰链偏差

其中，摆角测量铰链偏差

的计算公式具体为：

式中：Δθ_z为Z向预设摆角；

x为Z向预设摆角为Δθ_z时，Y向摆角传感器上支点位移；

y₀为Y向摆角传感器零位长度；

d为发动机喷管摇摆中心O到Y向摆角传感器上支点在喷管中心线投影点O’的距离；

(5)由数据采集/处理工控机向伺服控制器发送测试信号，通过伺服控制器控制控制Y向、Z向的伺服机构运动，并通过数据采集/处理工控机记录测试信号；

(6)向Z向伺服机构发送摆角为0的测试信号，向Y向伺服机构发送阶梯上升的测试信号，伺服机构开始工作后带动发动机进行Y向摇摆，通过数据采集/处理工控机接收光栅摆角传感器发送的数字信号；

(7)向Z向伺服机构发送预设摆角的测速信号，至Z向伺服机构摆动一定角度Δθ_n后，根据摆角测量铰链偏差

向Y向伺服机构发送基体上升的测试信号，伺服机构开始工作后带动发动机进行Y向摇摆，通过数据采集/处理工控机实时接收Z向伺服机构发送的同预摆角Δθ_n状态下的数字信号y_n，获取发动机喷管Y向的真实摆角传感器伸缩长度y_n真；

其中，真实摆角传感器伸缩长度y_n真的计算公式如下：

(8)根据计算所得测试信号数据进行分析，确定正交方向下，不同预设摆角状态下光栅摆角传感器的静态标定公式；

其中，正交方向下，不同预设摆角状态下光栅摆角传感器的静态标定公式具体为：

式中，Δθ_z为Z方向的预摆信号，y_真n为Y方向摆动引起的传感器真实伸缩长度，x为为Y方向的输入信号(input)，k_n为线性度修正系数，L_静n为静态标定零位，不同预摆信号提供的预设摆角状态下，对应的线性度修正系数与静态标定零位通过试验数据进行拟合获取；

(9)根据预设摆角值对步骤(8)所得静态标定公式的系数进行插值，获取插值表，并于任一时刻t，对正交方向的Z向预设摆角进行采集，以采集数据减去正交方向预摆角影响

根据正交方向的Z向预设摆角于插值表中查询对应静态标定公式的系数，计算Y向真实摆角值，完成标定补偿。

Y向真实摆角值的计算方法为：

下面结合具体实施例进行进一步说明：

在本实施例中，要解决的问题是在半实物仿真试验准备阶段，首先地面状态下，对摆角传感器精细精度标定，根据光栅尺精度及摆角的范围计算出实际测量精度，确认是否满足任务书要求。其次根据摆角传感器的安装位置和发动机喷管的几何尺寸，推导出正交方向运动时的摆角测量铰链偏差公式；再次，如图4、图5所示，开始进行标定，工控机通过伺服控制器发送高分辨率的阶梯信号，获取正交方向不同预摆角状态下的摆角传感器数据，用反射内存通讯方式发给工控机，工控机采集数据后通过拟合方法获得不同正交摆角状态下的静态零位和线性度。几何推导方法和测试数据拟合方法相结合，为闭环试验提供精确的摆角采集处理公式。在半实物仿真闭环试验状态下，将正交方向实时摆角作为输入，应用上述方法获得的公式对摆角进行实时标定补偿后，摆角作为箭体模型输入进行闭环运算。

被测对象为光栅摆角传感器，测试设备含负载发动机喷管、伺服控制器、伺服机构、光栅摆角传感器、摆角测试控制柜、及配套支架、设备、电缆、既定信号采集协议的数据采集\发送\处理工控机、配套的通讯协议并配置相应通讯板卡、程序等。

如图1所示，搭建地面测试系统。摆角信号综合控制柜用于给摆角传感器供电，并采集摆角信息，应用反射内存通讯发送数字信号给数据采集/处理工控机，数据采集/处理工控机具有采集，具备每毫秒采集摆角传感器信号的功能，具备实时操作系统。具体测试步骤如下：

1)将光栅传感器拉伸至最大长度，工控机采集的数字信号为a_max

2)将光栅传感器压缩至最大长度，工控机采集的数字信号为a_min

3)光栅尺的量程为

Fs＝a_max+a_min

光栅传感器预计测量的摆角范围为±δ_max，则光栅传感器的标度因数为：

d＝Fs/(2δ_max)

则光栅尺的实际摆角测量精度为：

ε＝ε₀d

其中，ε₀为光栅尺的出厂精度。

确认光栅尺的实际摆角测量精度是否满足任务书要求，如满足则进行下一步工作。

根据摆角传感器在发动机喷管的安装位置关系获得摆角测量铰链偏差

的计算公式，摆角传感器的安装方式如图2所示，发动机喷管中心线垂直于地面非位置为安装零位，由于Y轴方向摆角传感器下支点固定于地面上，正交方向运动时会引起摆角传感器伸缩。Δθ_n为Z轴方向的发动机预摆角，计算在正交方向(Z轴方向)发动机喷管预摆Δθ_n时，对Y轴方向摆角传感器的影响：

Y轴方向摆角传感器安装于发动机端的支点位置为B，B点在喷管中心线的投点为O’，摇摆中心到O’的距离为d为已知，当Z轴方向喷管预摆角度为Δθ_n时，发动机端的支点位置B的位移公式为：

x≈d·Δθ_n

支点位置B移动后，光栅传感器的长度变为

y₀为光栅传感器的零位长度。

则正交方向(Z轴方向)发动机喷管预摆Δθ_n时，对Y轴方向摆角传感器的摆角测量铰链偏差为：

如图3所示，进行装机状态摆角传感器标定系统搭建，对正交方向不同预摆角度Δθ_n时，通过工控机给伺服控制器发送阶梯上升的测试信号，阶梯信号需要覆盖发动机的正负限幅值，级数不低于20级，阶梯稳定时保持N秒。伺服机构开始工作，带动发动机Y方向摇摆，工控机按照反射内存卡既定协议实时采集摆角传感器的数字信号y_n；根据上面几何空间位置分析结果，真实的由Y方向发动机喷管摆动引起的摆角传感器伸缩长度为：

摆角静态标定公式为，

其中Δθ_z为Z方向的预摆信号，y_真n为Y方向摆动引起的传感器真实伸缩长度，x为为Y方向的输入信号(input)，k_n为线性度修正系数，L_静n为静态标定零位；

若阶梯波形全部完成，即完成了静态测试，对阶梯信号和摆角信号分析、拟合，得到，可到的不同的预摆角[Δθ_z1…Δθ_zn]状态下的线性度修正系数和[k₁…k_n]与静态标定零位[L_静1…L_静n]；

在半实物仿真闭环试验状态下，Z方向的摆角为连续信号，需要根据预摆值对静态标定系数在摆角信息进入箭体模型前，t时刻，对正交方向的Z摆角进行采集后，首先将采集的数据减去Δθ_t的预摆角影响

其次将正交方向摆角Δθ_t作为自变量，插值得到k_t、L_静t的插值表，通过上述计算可获得t时刻，Y方向的真实摆角值为

此摆角值可作为动力学方程输入进行姿态动力学方程计算。

以上所述仅为本发明的优选实施例，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做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于光栅传感器的发动机摆角测量系统标定补偿方法，其特征在于步骤如下：

(1)搭建地面测试系统；

所述地面测试系统包括光栅摆角传感器、摆角信号综合控制柜、数据采集/处理工控机；光栅摆角传感器平放于地面测试桌上；

(2)确认测试线路连接正确且信号接收情况正常，对光栅摆角传感器进行静态标定，将光栅摆角传感器的光栅尺分别拉至最大位移、最小位移，并记录数据采集/处理工控机采集的光栅尺位置数据，根据光栅尺精度及光栅摆角传感器的摆角范围计算实际测量精度，并对照标定补偿任务进行判断是否满足需求；

(3)将光栅摆角传感器安装于发动机喷管处，搭建装机状态光栅传感器标定系统；

所述装机状态光栅传感器标定系统包括光栅摆角传感器、摆角信号综合控制柜、数据采集/处理工控机、伺服控制器、伺服机构及配套设备，

(4)根据发动机喷管几何参数计算摆角测量铰链偏差

(5)由数据采集/处理工控机向伺服控制器发送测试信号，其中，Y向、Z向为双向摇摆发动机的摆动方向且方向正交，通过伺服控制器控制控制Y向、Z向的伺服机构运动，并通过数据采集/处理工控机记录测试信号；

(6)向Z向伺服机构发送摆角为0的测试信号，向Y向伺服机构发送阶梯上升的测试信号，伺服机构开始工作后带动发动机进行Y向摇摆，通过数据采集/处理工控机接收光栅摆角传感器发送的数字信号；

(7)向Z向伺服机构发送预设摆角的测速信号，至Z向伺服机构摆动一定角度Δθ_n后，根据摆角测量铰链偏差

向Y向伺服机构发送基体上升的测试信号，伺服机构开始工作后带动发动机进行Y向摇摆，通过数据采集/处理工控机实时接收Z向伺服机构发送的同预摆角Δθ_n状态下的数字信号y_n，获取发动机喷管Y向的真实摆角传感器伸缩长度y_n真；

(8)根据计算所得测试信号数据进行分析，确定正交方向下，不同预设摆角状态下光栅摆角传感器的静态标定公式；

(9)根据预设摆角值对步骤(8)所得静态标定公式的系数进行插值，获取插值表，并于任一时刻t，对正交方向的Z向预设摆角进行采集，以采集数据减去正交方向预摆角影响

根据正交方向的Z向预设摆角于插值表中查询对应静态标定公式的系数，计算Y向真实摆角值，完成标定补偿。

2.根据权利要求1所述的一种基于光栅传感器的发动机摆角测量系统标定补偿方法，其特征在于：

所述步骤(1)中，通过地面测试系统对待测试设备进行测试，待测试设备为光栅摆角传感器，所述地面测试系统及装机状态光栅传感器标定系统中，摆角信号综合控制柜为光栅摆角传感器供电并采集摆角信息，将所得信息以数字信号形式发送至采集/处理工控机。

3.根据权利要求1所述的一种基于光栅传感器的发动机摆角测量系统标定补偿方法，其特征在于：

所述步骤(4)中，摆角测量铰链偏差

的计算公式具体为：

式中：Δθ_z为Z向预设摆角；

x为Z向预设摆角为Δθ_z时，Y向摆角传感器上支点位移；

y₀为Y向摆角传感器零位长度；

d为发动机喷管摇摆中心O到Y向摆角传感器上支点在喷管中心线投影点O’的距离。

4.根据权利要求1所述的一种基于光栅传感器的发动机摆角测量系统标定补偿方法，其特征在于：

所述真实摆角传感器伸缩长度y_n真的计算公式如下：

5.根据权利要求1所述的一种基于光栅传感器的发动机摆角测量系统标定补偿方法，其特征在于：

所述正交方向下，不同预设摆角状态下光栅摆角传感器的静态标定公式具体为：

式中，Δθ_z为Z方向的预摆信号，y_真n为Y方向摆动引起的传感器真实伸缩长度，x为为Y方向的输入信号(input)，k_n为线性度修正系数，L_静n为静态标定零位，不同预摆信号提供的预设摆角状态下，对应的线性度修正系数与静态标定零位通过试验数据进行拟合获取。

6.根据权利要求5所述的一种基于光栅传感器的发动机摆角测量系统标定补偿方法，其特征在于：

所述Y向真实摆角值的计算方法为：

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