CN116950807A - 一种流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统和方法，涉及火箭发动机起动控制及流量调节器动态特性技术领域，以解决现有试验无法获得精准的流量调节器转级过程中的频率特性的问题。流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统包括：激励装置、流量调节器、第一控制器、第二控制器以及测控系统；测控系统根据各控制器的延迟特性同时向两路控制器发送启动指令；使流量调节器动态转级的同时激励器按照预设频率扫频；以模拟流量调节器转级过程中受到的外界频率扰动；根据试验数据确定流量调节器转级过程中的频率特性。本发明提供的流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统用于对流量调节器受到上/下游组件扰动情况进行模拟试验。

Description

一种流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统和方法

技术领域

本发明涉及火箭发动机起动控制及流量调节器动态特性技术领域，尤其涉及一种流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统和方法。

背景技术

流量调节器是液氧/煤油补燃循环液体火箭发动机实现起动控制的重要组件，发动机起动过程中需要依靠流量调节器动态转级动作来实现发动机工况的快速爬升，此时流量调节器内部的敏感元件工作在快速运动状态。由于流量调节器在发动机系统中的上游存在燃料泵、下游存在燃气发生器，两者在发动机起动过程中均会表现出复杂的频率特性：其中燃料泵的频率会随着发动机起动过程工况快速爬升而快速增大，燃气发生器则会出现约40～200Hz的低频振荡燃烧。因此，要求流量调节器既要保证自身的敏感元件在动态转级过程中可靠工作，不受上下游其它组件频率特性的影响，而且还要求保证对上下游各组件所产生的脉动压力起到很好地阻隔作用，避免出现系统级的耦合振荡问题。

目前地面试验中，针对流量调节器转级动作仅能开展无激励试验，试验过程上、下游均为稳态边界条件，无法获得发动机实际工作中上下游组件频率扰动的情况下流量调节器动态转级过程中的频率特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统和方法，用于模拟发动机起动过程中，流量调节器动态转级时受上下游组件频率扰动的环境，获得流量调节器在动态转级过程中的频率特性，以及对上下游脉动压力的抑制作用，为优化流量调节器敏感元件的设计提供依据。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供一种流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统，包括：激励装置、流量调节器、第一控制器、第二控制器以及测控系统；

所述激励装置包括激励器和节流圈，所述节流圈与所述流量调节器任意一端的管路相连，所述激励器与所述节流圈通过管路相连；

所述测控系统用于根据所述第一控制器和所述第二控制器的延迟特性向所述第一控制器和所述第二控制器发送启动指令；所述第一控制器用于根据所述启动指令驱动所述流量调节器进行转级运动；所述第二控制器用于根据所述启动指令在所述流量调节器进行转级的同时驱动所述激励器按预设频率进行扫频；所述激励器用于为主路中的介质提供扰动；

所述节流圈用于控制激励器路产生扰动的介质的排出流量，通过调整所述激励器路流量与主路流量的比例，来控制向主路施加的压力脉动扰动的幅值大小，从而模拟所述流量调节器转级过程中受到的外界频率扰动；针对所述流量调节器和所述激励器，分别配置有多个传感器，用于测量试验过程中所述流量调节器和所述激励器各测点的脉动压力时域信号，并根据各测点脉动压力时域信号确定流量调节器转级过程中的频率特性。

与现有技术相比，本发明提供的一种流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统，包括：激励装置、流量调节器、第一控制器、第二控制器以及测控系统，激励装置包括激励器和节流圈；通过第一控制器驱动流量调节器进行转级运动，第二控制器驱动激励器按预设频率进行扫频；测控系统根据第一控制器和第二控制器的延迟特性向第一控制器和第二控制器发动启动指令，可以保证动作指令的统一性，实现在流量调节器动态转级的同时，激励装置按照预设频率进行扫频，通过激励器产生频率扰动，节流圈控制激励器路产生扰动的介质的排出流量，通过调整激励器路流量与主路流量的比例，来控制向主路施加的压力脉动扰动的幅值大小，实现模拟发动机实际起动过程流量调节器在转级过程中所受到的外界频率扰动；针对流量调节器和激励器，分别配置有多个传感器，用于测量试验过程中流量调节器和激励器各测点的脉动压力时域信号，根据各测点脉动压力时域信号即可确定流量调节器转级过程中的频率特性。本系统在流量调节器的上游或下游通过激励装置引入特定频率范围的脉动压力扰动，模拟发动机工作过程中流量调节器上/下游其他组件所产生的脉动压力扰动，更加贴近实际发动机工况，试验数据更可靠，确定的流量调节器的频率特性可以作为流量调节器敏感元件结构优化的依据，为保证发动机起动流量调节器动态转级过程的工作可靠性提供重要参考。

另一方面，本发明还提供一种流量调节器动态转级过程中频率特性试验方法，所述方法应用于上述流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统，流量调节器动态转级过程中频率特性试验方法包括：

测控系统根据第一控制器和第二控制器的延迟特性向第一控制器和第二控制器发动启动指令；

第一控制器根据启动指令驱动流量调节器进行转级运动；

第二控制器根据启动指令在所述流量调节器进行转级的同时驱动激励装置中的激励器按预设频率进行扫频，所述激励器为管路中的介质提供扰动；

激励装置中的节流圈控制激励器路产生扰动的介质的排出流量，通过调整所述激励器路流量与主路流量的比例，来控制向主路施加的压力脉动扰动的幅值大小，模拟所述流量调节器转级过程中受到的外界频率扰动；

采集试验过程中所述流量调节器和所述激励器对应的各测点的脉动压力时域信号，并根据各测点脉动压力时域信号确定流量调节器转级过程中的频率特性。

与现有技术相比，本发明提供的流量调节器动态转级过程中频率特性试验方法的有益效果与上述技术方案所述一种流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统的有益效果相同，此处不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明提供的一种流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统结构示意图；

图2为本发明提供的一种流量调节器动态转级过程中频率特性试验方法流程图。

附图标记：

1-测控系统，2-第一控制器，3-第二控制器，4-第一电机，5-流量调节器，6-第二电机，7-激励器，8-节流圈，9-过滤器，10-入口截止阀，11-调节阀，12-出口截止阀，13-激励装置上游放置位置。

具体实施方式

为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。

需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

流量调节器是发动机起动控制的重要组件，在发动机起动过程中不仅需要保证自身稳定工作，还需要对上下游组件起到很好的阻隔作用，然而目前的试车试验，针对流量调节器转级动作仅能开展无激试验，无法研究浏览调节器在动态转级过程中对外界扰动的频率特性和抑制作用，无法对流量调节组件优化提供依据。

为解决上述问题，本发明提供一种流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统和方法，可以实现在流量调节器动态转级动作的同时，模拟发动机起动过程中其它组件的频率特性，分别在其上游或下游施加特定频率变化范围的扰动激励，以此来获得流量调节器在动态转级动作过程中的频率特性、以及对上下游脉动压力的抑制作用，为流量调节器的设计及优化提供参考，提高流量调节器在发动机在快速起动过程中的抗扰动能力，确保流量调节器可靠、稳定的按照预设程序完成起动转级动作。接下来结合附图进行说明。

图1为本发明提供的一种流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统结构示意图，如图1所示，流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统包括：测控系统1、第一控制器2、第二控制器3、第一电机4、流量调节器5、第二电机6、由激励器7和节流圈8组成的激励装置，节流圈8与流量调节器5任意一端的管路相连，激励器7与节流圈8通过管路相连；过滤器9、入口截止阀10、调节阀11以及出口截止阀12；其中过滤器9、入口截止阀10、流量调节器5、调节阀11以及出口截止阀12之间依次通过管路连接。其中激励器所在的管路为激励器路，流量调节器所在的管路为主路。

其中，入口截止阀10设置在流量调节器5连接管路的入口处，用于控制主路介质的流通或关闭；在入口截止阀10和出口截止阀12开启的情况下，可以在试验起始状态时为流量调节器5提供起动工况下的稳定环境；过滤器9设置在入口截止阀10的上游，用于过滤试验介质中的杂质；出口截止阀12设置在流量调节器5连接管路的出口处，用于控制主路介质的流通或关闭。

当进行受上游组件的频率扰动时流量调节器5的频率特性试验时，将激励装置设置在如图1所示的激励装置上游放置位置13处，以模拟流量调节器5上游组件产生的脉动压力扰动，调节阀11设置在激励装置和出口截止阀12之间，调节阀11用于调节流量调节器5下游管路的流阻，模拟发动机起动工况下流量调节器的出口压力环境；当进行受下游组件频率扰动时流量调节器5的频率特性试验时，将激励装置设置在如图1所示的流量调节器下游处，以模拟流量调节器5下游组件产生的脉动压力扰动。图1示出了激励装置在流量调节器下游的情况。

针对发动机起动过程中流量调节器5动态转级过程中重点关注的频率范围30～300Hz，激励器7需要满足在1秒内完成30～300Hz的快速扫频变化，以此模拟燃料泵和燃气发生器等其他组件在发动机起动过程中所表现出的频率特性。

为实现流量调节器5动态转级与激励器7快速变频的同步性，须严格控制第一控制器2和第二控制器3的工作匹配性。由测试系统1同时控制两路控制器的时统信号，保证动作指令的统一性，同时精确测试第一控制器和第二控制器的时间延迟特性，保证在流量调节器动态转级动作的同时，激励器按照预设程序给予特定频率范围的扰动。

测控系统1根据第一控制器2和第二控制器3的延迟特性向第一控制器2和第二控制器3发送启动指令；第一控制器2用于根据启动指令通过第一电机4驱动流量调节器5进行转级运动；第二控制器3用于根据启动指令在流量调节器5进行转级的同时通过第二电机6驱动激励器7按预设频率进行扫频；激励器7用于为主路中的介质提供扰动；节流圈8用于控制激励器路产生扰动的介质的排出流量，通过调整激励器路流量与主路流量的比例，来控制向主路施加的压力脉动扰动的幅值大小，从而模拟流量调节器5转级过程中受到的外界频率扰动。

针对流量调节器和激励器对应的测点处，分别配置有多个传感器，测点可以为如图1所示的P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、ΔP1、ΔP2、ΔP3、ΔP4、ΔP5、ΔP6以及ΔP7等，在测点P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7等处测量试验过程中的压力信号，作为判断流量调节器流量、压降等工作参数的依据；在ΔP1、ΔP2、ΔP3、ΔP4、ΔP5、ΔP6以及ΔP7等测点处测量试验过程中的脉动压力时域信号，将其转换为频域信号后，可以根据频域信号确定流量调节器转级过程中的频率特性。

参见图2，本发明提供一种流量调节器动态转级过程中频率特性试验方法，所述方法应用于上述的流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统，流量调节器动态转级过程中频率特性试验方法包括以下步骤：

步骤201：测控系统根据第一控制器和第二控制器的延迟特性向第一控制器和第二控制器发动启动指令。

作为一种可选的方式，试验开始前需要将流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统调整为初始状态，具体的第一控制器通过第一电机驱动流量调节器，将流量调节器设置在发动机起动工况状态，并通过第一控制器实时监测流量调节器角度状态；

打开入口截止阀和出口截止阀为流量调节器提供起动工况下的稳态工作环境，使流量调节器在起动工况下稳定工作；

第二控制器通过第二电机驱动激励器，将激励器产生的脉动压力的频率调节到起始频率，并通过第二控制器实时监测激励频率。

作为一种可选的方式，在进行流量调节器动态转级过程中频率特性试验之前即测试系统发送指令之前需测试第一控制器和第二控制器的时间延迟特性，具体的，测控系统给第一控制器发送启动指令记录此时的时间，并记录第一控制器驱动流量调节器开始转级动作的时间，流量调节器开始转级动作的时间减去启动指令发出的时间即为第一控制器的延迟特性Δt1；

测控系统给第二控制器发送启动指令记录此时的时间，并记录第二控制器驱动激励器开始扫频的时间，激励器开始扫频的时间减去启动指令发出的时间为第二控制器的延迟特性Δt2。

设流量调节器开始转级指令时间为t1，激励器开始扫频指令的时间为t2，以t1时间为基准，要保证Δt2+t2＝Δt1+t1，以保证两个控制器控制的流量调节器和激励器同时在Δt1+t1时刻开始转级或扫频动作，即流量调节器实际开始转级与激励器实际开始快速扫频同步。

步骤202：第一控制器根据启动指令驱动流量调节器进行转级运动。

然后通过调节阀调节流量调节器下游管路的流阻，模拟发动机工作过程中流量调节器的出口压力环境，获得与发动机中相似的压降条件。

步骤203：第二控制器根据启动指令在所述流量调节器进行转级的同时驱动激励装置中的激励器按预设频率进行扫频，所述激励器为主路中的介质提供扰动。

步骤204：激励装置中的节流圈控制激励器路产生扰动的介质的排出流量，通过调整所述激励器路流量与主路流量的比例，来控制向主路施加的压力脉动扰动的幅值大小，模拟所述流量调节器转级过程中受到的外界频率扰动。

步骤205：采集试验过程中所述流量调节器和所述激励器对应的各测点的脉动压力时域信号，并根据各测点的所述脉动压力时域信号确定所述流量调节器转级过程中的频率特性。

本方法通过将各测点的脉动压力时域信号转换为频域信号，根据频域信号获得流量调节器转级过程中的频率特性。具体步骤如下：

获取采集的各测点的脉动压力时域信号；测点至少包括流量调节器上游P2、下游P3，以及激励器附近P5。然后采用小波变换或短时傅里叶变换将各测点的脉动压力时域信号转换为频域信号；之后根据激励器对应测点的频域信号与流量调节器对应测点的频域信号建立传递函数，传递函数建立过程为提取激励器对应测点的频域信号中的幅值，得到第一幅值数据；提取流量调节器对应测点的频域信号中的幅值，得到第二幅值数据；根据第一幅值数据和第二幅值数据的比值建立传递函数。根据传递函数的幅相频结果，分析获得流量调节器转级过程中的非线性频率特性，及其对不同频率脉动压力的衰减作用。

通过上述对试验系统和试验方法的介绍可知，本发明建立一种可用于研究发动机起动过程流量调节器动态转级过程中频率特性，及流量调节器对上/下游脉动压力抑制作用的试验方法。首先，通过调节下游管路系统的流阻来实现流量调节器压降控制，模拟整个转级过程中流量调节器敏感元件工作状态与实际发动机中相似；其次，在流量调节器的上游或下游通过激励装置引入特性频率范围的脉动压力扰动，模拟发动机工作过程中流量调节器上/下游其它组件所产生的脉动压力扰动。同时可以保证在流量调节器动态转级动作的同时，激励装置可以按预设程序给与特定频率范围的扰动。通过本发明提供的试验系统和试验方法得到的试验结果可以作为流量调节器敏感元件结构设计优化的依据，实现流量调节器转级过程频率特性与发动机系统解耦，并能很好的阻隔上下游的脉动压力，最终保证发动机起动过程流量调节器所在的局部系统稳定性裕度较高。

尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统，其特征在于，包括：激励装置、流量调节器、第一控制器、第二控制器以及测控系统；所述激励装置包括激励器和节流圈，所述节流圈与所述流量调节器任意一端的管路相连，所述激励器与所述节流圈通过管路相连；

所述测控系统用于根据所述第一控制器和所述第二控制器的延迟特性向所述第一控制器和所述第二控制器发送启动指令；所述第一控制器用于根据所述启动指令驱动所述流量调节器进行转级运动；所述第二控制器用于根据所述启动指令在所述流量调节器进行转级的同时驱动所述激励器按预设频率进行扫频；所述激励器用于为主路中的介质提供扰动；

所述节流圈用于控制激励器路产生扰动的介质的排出流量，通过调整所述激励器路流量与主路流量的比例，来控制向主路施加的压力脉动扰动的幅值大小，从而模拟所述流量调节器转级过程中受到的外界频率扰动；针对所述流量调节器和所述激励器，分别配置有多个传感器，用于测量试验过程中所述流量调节器和所述激励器各测点的脉动压力时域信号，并根据各测点脉动压力时域信号确定流量调节器转级过程中的频率特性。

2.根据权利要求1所述流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统，其特征在于，所述系统还包括：入口截止阀和出口截止阀，所述入口截止阀设置在流量调节器连接管路的入口处，所述出口截止阀设置在流量调节器连接管路的出口处；所述入口截止阀和所述出口截止阀用于在试验起始状态时为所述流量调节器提供起动工况下的稳定环境。

3.根据权利要求2所述流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统，其特征在于，所述系统还包括调节阀，所述调节阀设置在所述流量调节器和所述出口截止阀之间，用于调节流量调节器下游管路的流阻，模拟发动机起动工况下流量调节器的出口压力环境。

4.根据权利要求1所述流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统，其特征在于，所述激励器在一秒内完成三十到三百赫兹的扫频变化。

5.一种流量调节器动态转级过程中频率特性试验方法，所述方法应用于权利要求1-4任一项所述的流量调节器动态转级过程中频率特性试验系统，其特征在于，所述流量调节器动态转级过程中频率特性试验方法包括：

测控系统根据第一控制器和第二控制器的延迟特性向第一控制器和第二控制器发动启动指令；

第一控制器根据启动指令驱动流量调节器进行转级运动；

第二控制器根据启动指令在所述流量调节器进行转级的同时驱动激励装置中的激励器按预设频率进行扫频，所述激励器为主路中的介质提供扰动；

激励装置中的节流圈控制激励器路产生扰动的介质的排出流量，通过调整所述激励器路流量与主路流量的比例，来控制向主路施加的压力脉动扰动的幅值大小，模拟所述流量调节器转级过程中受到的外界频率扰动；

采集试验过程中所述流量调节器和所述激励器对应的各测点的脉动压力时域信号，并根据各测点脉动压力时域信号确定流量调节器转级过程中的频率特性。

6.根据权利要求5所述流量调节器动态转级过程中频率特性试验方法，其特征在于，所述测控系统根据第一控制器和第二控制器的延迟特性向第一控制器和第二控制器发动启动指令，之前还包括：

所述第一控制器驱动所述流量调节器，将所述流量调节器设置在发动机起动工况状态；

打开入口截止阀和出口截止阀为所述流量调节器提供起动工况下的稳态工作环境，所述入口截止阀设置在所述流量调节器连接管路的入口处，所述出口截止阀设置在所述流量调节器连接管路的出口处；

所述第二控制器驱动所述激励器，将所述激励器产生的脉动压力的频率调节到起始频率。

7.根据权利要求5所述流量调节器动态转级过程中频率特性试验方法，其特征在于，所述测控系统根据第一控制器和第二控制器的延迟特性向第一控制器和第二控制器发动启动指令，之前还包括：

测控系统给第一控制器发送启动指令，根据第一控制器驱动流量调节器开始转级动作的时间确定第一控制器的延迟特性；

测控系统给第二控制器发送启动指令，根据第二控制器驱动激励器开始扫频动作的时间确定第二控制器的延迟特性。

8.根据权利要求5所述流量调节器动态转级过程中频率特性试验方法，其特征在于，所述第一控制器根据启动指令驱动流量调节器进行转级运动之后，所述第二控制器根据启动指令在所述流量调节器进行转级的同时驱动激励装置中的激励器按预设频率进行扫频之前还包括：

调节阀调节所述流量调节器下游管路的流阻，模拟发动机工作过程中流量调节器的出口压力环境；所述调节阀设置在所述流量调节器和所述出口截止阀之间。

9.根据权利要求5所述流量调节器动态转级过程中频率特性试验方法，其特征在于，所述采集试验过程中所述流量调节器和所述激励器对应的各测点的脉动压力时域信号，并根据各测点脉动压力时域信号确定流量调节器转级过程中的频率特性，包括：

获取采集的各测点的脉动压力时域信号；

将各测点的所述脉动压力时域信号转换为频域信号；

根据激励器对应测点的频域信号与流量调节器对应测点的频域信号建立传递函数；

根据传递函数确定流量调节器转级过程中的频率特性。

10.根据权利要求9所述流量调节器动态转级过程中频率特性试验方法，其特征在于，所述根据激励器对应测点的频域信号与流量调节器对应测点的频域信号建立传递函数，包括：

提取激励器对应测点的频域信号中的幅值，得到第一幅值数据；

提取流量调节器对应测点的频域信号中的幅值，得到第二幅值数据；

根据第一幅值数据和第二幅值数据的比值建立传递函数。