燃氣直接力控制試驗系統(tǒng)設(shè)計與運動研究

牟蓬濤 宋滿存 梁 贊 楊緒釗 付春雨

燃氣直接力控制試驗系統(tǒng)設(shè)計與運動研究

牟蓬濤 宋滿存 梁 贊 楊緒釗 付春雨

（北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京 100076）

設(shè)計了一種側(cè)向小型多燃氣噴管直接力控制試驗系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)上兼顧了噴管的多數(shù)量均布性，并具有很強的協(xié)調(diào)性；同時既可以在系統(tǒng)上直接進行噴管力學(xué)特性的測試，又可以開展控制算法驗證的運動研究試驗，解決了直接力控制系統(tǒng)的設(shè)計、測試與驗證的關(guān)鍵技術(shù)，在直接力控制系統(tǒng)設(shè)計方面具有創(chuàng)造性和前沿性。

側(cè)向小型多燃氣噴管；直接力控制試驗系統(tǒng)；運動研究

1 引言

直接力控制是指通過在結(jié)構(gòu)主體側(cè)向安裝噴流發(fā)動機并通過其工作時產(chǎn)生的直接推力改變主體的軌跡或姿態(tài)的一種控制方法，適合應(yīng)用于航空、航天器上，具有無需環(huán)境介質(zhì)、響應(yīng)速度快、過載能力強等優(yōu)勢[1，2]。

相對于冷氣直接力，燃氣方案具有比沖大、結(jié)構(gòu)小巧、系統(tǒng)簡單等優(yōu)點，雖然對材料特性要求更高且單個噴管無法重復(fù)工作，但若進行小型噴管設(shè)計以及多噴管布置，仍可組合實現(xiàn)精確而復(fù)雜的控制效果[3，4]。

側(cè)向小型多噴管直接力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：噴管力學(xué)特性測試、結(jié)構(gòu)主體設(shè)計與噴管布置、控制算法設(shè)計與驗證[5]。其中噴管力學(xué)特性通常由噴管生產(chǎn)廠家在特定臺架上進行測試，精確性可以保證，但無法反應(yīng)出其安裝到主體上之后的耦合力學(xué)特性；主體設(shè)計與噴管布置可通過結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進行，需兼顧結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性和噴管多布性；控制算法設(shè)計與驗證則多通過仿真軟件進行，難以真實驗證側(cè)向小型多噴管直接力控制系統(tǒng)在主體軌跡控制中的能力[6]。

直接力控制的核心包括直接力執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力研究以及控制算法研究，為此，設(shè)計了直接力控制試驗系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過力傳感器對安裝于結(jié)構(gòu)主體上的噴管進行力的特性測試以及通過控制算法對主體進行軌跡控制，主要用于直接力單噴管推力測試、多噴管控制測試、直接力動力學(xué)研究、直接力控制方法研究、直接力控制效果演示等功能。

2 直接力控制試驗系統(tǒng)原理

本試驗系統(tǒng)由試驗臺主體和測控系統(tǒng)兩部分組成。試驗臺主體由結(jié)構(gòu)主體、噴管、底座、力傳感器等組成，測控系統(tǒng)通過將控制器與壓力傳感器和動力系統(tǒng)相連，實現(xiàn)對試驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制。試驗系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 直接力控制試驗系統(tǒng)原理圖

本試驗系統(tǒng)可以在兩種模式下工作，模式1是通過力傳感器將結(jié)構(gòu)主體固定在試驗臺固定臺面上，可以控制噴管工作并采集噴力數(shù)值；模式2是取消力傳感器，結(jié)構(gòu)主體固定在可移動的底座上，通過控制器和無線模塊控制結(jié)構(gòu)主體上的噴管，控制結(jié)構(gòu)主體的移動。直接力控制系統(tǒng)的兩種工作模式如圖2所示。

圖2 直接力試驗系統(tǒng)兩種工作模式

當試驗系統(tǒng)處于圖2a狀態(tài)時，燃氣發(fā)生器噴管被點燃，其作用力作用于結(jié)構(gòu)主體上，主體與力傳感器相連，通過力傳感器即可測得噴管在平面任意方向的力，為提高測量精度需減小結(jié)構(gòu)主體與固定臺面的摩擦力。為此，主體下面裝有鋼珠，與光滑的固定臺面接觸，固定臺面做成圓柱形凹槽，凹槽內(nèi)放有潤滑油。直接力方式采用燃氣發(fā)生器，主體每周均布6個噴管，布置3排，每排噴管錯開20°，從而節(jié)省主體空間并增加控制分辨率。

當試驗系統(tǒng)處于圖2b狀態(tài)時，控制器通過無線模塊控制噴管的點火時序，從而控制主體沿一定軌跡移動達到目標位置，直觀地演示出直接力控制的機動性，同時驗證控制算法的有效性。

3 直接力控制試驗系統(tǒng)設(shè)計

表1 直接力控制試驗系統(tǒng)配套表

直接力控制試驗系統(tǒng)主要元件及功能指標見表1。

圖3 直接力試驗系統(tǒng)主體三維結(jié)構(gòu)圖

圖3所示為直接力試驗系統(tǒng)主體三維結(jié)構(gòu)圖，圖3a為其工作模式1，結(jié)構(gòu)主體直徑為250mm，外側(cè)銑出平臺，以保證噴管安裝時對中度。噴管通過法蘭鏈接到主體銑出的平臺上。主體與托盤焊接而成，托盤與底座通過螺栓連接，便于工作模式1和工作模式2之間的切換，工作模式1和工作模式2所使用底盤基本采用一致的形式，具有一定的互換性。力傳感器通過鉸鏈分別與連接塊1和2連接。

設(shè)計的直接力控制試驗系統(tǒng)，采用了中空設(shè)計，既降低了系統(tǒng)重量以提升噴管控制能力，也便于噴管安裝以及增加布置其它功能模塊，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計的協(xié)調(diào)性，并可實現(xiàn)噴管力學(xué)特性以及軌跡控制算法的在線測試與驗證。本設(shè)計可以根據(jù)控制試驗要求在系統(tǒng)中搭配硬件及配套軟件，方便地滿足噴管力學(xué)特性測試或主體運動學(xué)控制測試等要求，實現(xiàn)了一種多功能、高精度的側(cè)向小型多燃氣噴管直接力控制試驗系統(tǒng)的開發(fā)。

4 運動研究

4.1 工作模式1力學(xué)研究

電動工作模式1試驗中，控制試驗系統(tǒng)的接線圖如圖4所示。

圖4 直接力控制系統(tǒng)接線原理圖

試驗中，設(shè)置好測控系統(tǒng)工作，并通過一個電高平激發(fā)，噴管工作，采集記錄力學(xué)傳感器1和2的電壓數(shù)據(jù)。采集頻率約為1kHz，最終通過兩路信號的受力分析和矢量計算，可解析中噴管工作時的力學(xué)特性曲線。

試驗中采集時長約為42s，數(shù)據(jù)點量超過40000。通過截取其中有效的工作時間數(shù)據(jù)，并根據(jù)力傳感器的力/電壓特性（25kN/2.5V），解析得到兩個力傳感器測試的力學(xué)數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 兩路力學(xué)傳感器采集數(shù)據(jù)圖

通過矢量運算，求得噴管力學(xué)特性（即合）的曲線如圖6所示。

圖6 噴管力學(xué)特性曲線

從噴管力學(xué)特性曲線來看：噴管力存在兩個峰值，第1峰值約30ms，第2峰值約15ms，中間間隔約30ms，即總工作時間約75ms。噴管力的第1峰值約4kN，第2峰值約1.45kN。通過微積分計算，噴管的總沖約65N·s，其中兩個峰值的沖量分別為50N·s和15N·s，即僅第1峰值部分便滿足總沖要求。

4.2 工作模式2運動研究

首先完成系統(tǒng)搭建，按照運動控制試驗的要求完成系統(tǒng)安裝與接線。其次進行系統(tǒng)初始化，將系統(tǒng)基本參數(shù)如噴管力學(xué)特性數(shù)據(jù)、系統(tǒng)重量、試驗?zāi)Σ撂匦缘容斎氲娇刂破髦小Ｔ俅卧O(shè)定目標范圍，目標抵達式控制即是給定最終抵達的目標點及其允許誤差范圍，并輸入到控制器中。從噴管數(shù)=1開始進行求解，首先與系統(tǒng)允許使用的最大噴管數(shù)（≤18）進行比較，當＞時，如果系統(tǒng)無解則退出；當＜且有解時，系統(tǒng)得解，執(zhí)行程序，控制器通過繼電器使相應(yīng)燃氣噴管工作，驗證控制效果；當＜但無解時，+1并返回重新循環(huán)求解，系統(tǒng)控制算法框圖如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)算法框圖

進行了兩組運動試驗，出于系統(tǒng)安全考慮，每組試驗僅安裝且點燃一個噴管，并驅(qū)動直接力系統(tǒng)直線方向運行。試驗中在輪子底部鋪墊光滑鐵板，以減少摩擦與磨損。

試驗結(jié)果如下：

a. 點燃上排（共上中下三排）噴管，直接力系統(tǒng)最終運行了2.05m，系統(tǒng)存在一定的傾覆傾向，務(wù)必將輪子與結(jié)構(gòu)主體粘貼牢固。

b. 點燃下排噴管，直接力系統(tǒng)最終運行了1.77m。可近似平均認為直接力系統(tǒng)可運行的位移為1.9m。

由于噴管的工作時間很短，可以近似將直接力系統(tǒng)的運動形式簡化為“具有初速度的勻減速直線運動”。

設(shè)系統(tǒng)質(zhì)量為，摩擦系數(shù)為，初速度為，加（減）速度為=，運行位移為，根據(jù)以上數(shù)據(jù)與分析，系統(tǒng)應(yīng)滿足以下兩個關(guān)系式：

65=（1）

2×1.9=2 （2）

實際上，（可用秤）與（可用拉力表）是簡單可測的，因此可以求解得到初速度，以及相互驗證數(shù)據(jù)的有效性。

通過計算目標值，可以得出最優(yōu)的噴管啟動順序和最少啟動個數(shù)，到達目標區(qū)域。針對連續(xù)目標值，可通過控制算法，在達到目標值1后進行自我定位和位置校正，在剩余的噴管中給出最優(yōu)解，實現(xiàn)連續(xù)機動、隨機軌跡控制。

5 結(jié)束語

側(cè)向小型多燃氣噴管直接力控制試驗系統(tǒng)空間小、重量輕、推力大，具有更強的機動能力和更快的響應(yīng)速度，增快結(jié)構(gòu)主體調(diào)節(jié)機動性，迅速跟蹤指令，通過直接推力來改變結(jié)構(gòu)主體的軌跡或姿態(tài)，在航空、航天器等技術(shù)研究領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用市場和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

本文闡釋了側(cè)向小型多燃氣噴管試驗系統(tǒng)設(shè)計和運動研究，對直接力控制系統(tǒng)進行設(shè)計、測試與驗證，并介紹了運動試驗的步驟和方法，對直接力控制系統(tǒng)的進一步研究具有借鑒作用。

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Design and Motion Research of Gas Direct Force Control Test System

Mou Pengtao Song Mancun Liang Zan Yang Xuzhao Fu Chunyu

(Beijing Research Insitute of Precise Mechanical and Electronic Control Equipment, Beijing 100076)

This paper have designed a lateral small multi-gas nozzle direct force control test system. The structure takes into account the multi-quantity uniformity of the nozzle and has strong coordination; at the same time, the mechanical properties of the nozzle can be directly tested on the system; and the motion research test can be carried out by the control algorithm verification.This design solves the key technologies of design, test and verification of direct force control systems, and is creative and cutting-edge in the design of direct force control systems.

lateral small multi-gas nozzle；direct force control test system；sports research

牟蓬濤（1989），工程師，控制科學(xué)與工程專業(yè)；研究方向：航天伺服系統(tǒng)控制、電力電子與電氣傳動研究。

2019-07-02