衛(wèi)星推進(jìn)自適應(yīng)流量閉環(huán)調(diào)節(jié)技術(shù)

朱一驍，楊俊，樓超超

(1.上海空間推進(jìn)研究所，上海 201112；2.上海空間發(fā)動機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

0 引言

雙組元推進(jìn)系統(tǒng)是航天器主要推進(jìn)系統(tǒng)之一。根據(jù)衛(wèi)星總體布局要求，部分雙組元推進(jìn)系統(tǒng)采用四貯箱平鋪布局設(shè)計，4只貯箱兩兩并聯(lián)，分別貯存和供應(yīng)氧化劑及燃料[1]。在航天器工作過程中，由于各貯箱支路貯箱流阻、管路流阻和閥門流阻等差異[2]，導(dǎo)致并聯(lián)貯箱的排放不均衡，貯箱內(nèi)推進(jìn)劑剩余量不同，航天器飛行過程中質(zhì)心產(chǎn)生偏移[3-4]，并因此降低航天器姿控系統(tǒng)控制裕度[5]。目前，大量研究工作圍繞并聯(lián)貯箱推進(jìn)劑均衡排放的問題展開，主要通過配平流阻或者設(shè)置氣體旁路來實現(xiàn)。前者是在系統(tǒng)交付前進(jìn)行地面試驗，通過在貯箱出口設(shè)置不同的孔板進(jìn)行流阻配平來實現(xiàn)；后者是設(shè)置氣體旁路，通過壓力將推進(jìn)劑從剩余量較多的貯箱擠壓到較少的貯箱來實現(xiàn)。然而，兩種方案的不足在于：流阻配平的方法對地面試驗和仿真精度的要求較高[6-8]；氣體旁路的方法需要設(shè)置有氣體旁路，系統(tǒng)復(fù)雜度高、系統(tǒng)質(zhì)量大、硬件成本高[9]。

針對目前液體火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)中并聯(lián)貯箱不均衡排放的問題，本文提出一種并聯(lián)貯箱均衡排放的自適應(yīng)閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用流量計實現(xiàn)并聯(lián)貯箱下游流量的動態(tài)化實時采集，可編程控制器(PLC)通過流量比對控制比例電磁閥開度，實現(xiàn)自適應(yīng)閉環(huán)調(diào)節(jié)。

1 系統(tǒng)組成

1.1 試驗系統(tǒng)

本文的試驗系統(tǒng)如圖1所示，主要由貯箱、加注/排放模塊以及閉環(huán)調(diào)節(jié)模塊組成。需要指出的是，在本文中使用20L鈦合金球形氣瓶作為貯箱進(jìn)行試驗，采用去離子水作為模擬液。貯箱TKA(TKB)的上端為氣口，接外部氣源；貯箱的下端為液口，接排放管路。圖2為氣瓶的實物圖，表1所示為氣瓶的具體參數(shù)。

圖1 自適應(yīng)閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)試驗系統(tǒng)圖

圖2 貯箱實物圖

表1 20L鈦合金球形氣瓶參數(shù)

a)加注/排放模塊

加注/排放模塊主要由針閥ZV1、球閥SV1～6、壓力傳感器PT1-3、壓差計、流量計MS1以及過濾器F1/F2組成。其中，球閥SV1-4、過濾器F1以及壓力傳感器PT1/PT2用于實現(xiàn)貯箱充氣和放氣，球閥SV5/SV6、針閥ZV1、過濾器F2以及流量計用于實現(xiàn)貯箱加注和排放。圖3為加注/排放模塊集成化后的實物圖。

圖3 加注/排放模塊實物圖

b)閉環(huán)調(diào)節(jié)模塊

閉環(huán)調(diào)節(jié)模塊主要由比例電磁閥BV1(BV2)、流量計CS1(CS2)以及可編程控制器組成。圖4為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。閉環(huán)調(diào)節(jié)模塊的工作步驟如下：PLC設(shè)備自檢后，PLC輸出電流使電磁閥打開，流量計將流量數(shù)據(jù)通過PLC輸入端反饋進(jìn)PLC，PLC將反饋值與目標(biāo)值求差，當(dāng)差值在精度范圍以外時，PLC輸出電流，從而調(diào)節(jié)比例電磁閥開度使反饋值滿足條件；當(dāng)差值在精度范圍以內(nèi)時，保持比例電磁閥開度，完成并聯(lián)貯箱自適應(yīng)流量閉環(huán)調(diào)節(jié)。

圖4 自適應(yīng)閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

1)比例電磁閥

比例電磁閥主要由鐵芯、殼體、線圈等組成，鐵芯的位置取決于電信號的強(qiáng)度，通過改變鐵芯的位置，可以改變閥口的流通面積，從而實現(xiàn)對出口流量的調(diào)節(jié)[10]。

2)可編程控制器

可編程控制器，簡稱PLC，可以實現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動控制、過程控制和集散控制。PLC作為閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的硬件核心，需要配備A/D模塊和D/A模塊，A/D模塊實時采集流量計的模擬信號，D/A模塊輸出穩(wěn)定的電流控制比例電磁閥。本文所選用的歐姆龍CP1H-XA40DT-D型可編程控制器內(nèi)置4個A/D輸入端口，可選擇電流或電壓輸入信號；2個D/A輸出端口，可選擇電流或電壓輸出信號。

1.2 試驗方案

并聯(lián)貯箱自適應(yīng)閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重點(diǎn)在于調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性和時效性。因此，本文的試驗方案主要針對這兩點(diǎn)制定，其中參數(shù)主要包括目標(biāo)流量(35 g/s～55 g/s)和輸出電流(0.1 mA/s～0.2 mA/s)。初始條件下，A路的目標(biāo)流量為35 g/s，輸出電流為0.1 mA。測量精度全程控制在±1%。

2 試驗結(jié)果及分析

圖5為A路的流量隨時間變化的曲線圖。從圖中可以看出，隨著時間的增加，流量先單調(diào)上升，這主要是由于PLC持續(xù)輸出+0.1 mA的脈沖信號，使比例電磁閥開度不斷增加；當(dāng)流量達(dá)到目標(biāo)值附近的時候，流量曲線在y=35 g/s的附近上下波動，這是由于PLC通過輸出±0.1 mA的脈沖信號，使比例電磁閥的開度增加或減小，從而使流量±1%附近變化。

圖5 流量隨時間變化曲線

如圖6所示為測量值與目標(biāo)值的差值(簡稱“差值”)隨時間變化的曲線。從圖中可以看出，當(dāng)t=9 s時，差值已經(jīng)滿足精度要求。但是由于PLC響應(yīng)遲滯的問題，導(dǎo)致PLC多輸出了0.1 mA的電量，使得差值超出精度范圍，隨后PLC輸出-0.1 mA的電量使差值重新回到精度范圍內(nèi)，并隨后重復(fù)調(diào)節(jié)循環(huán)。在此基礎(chǔ)上，下文圍繞不同目標(biāo)流量和輸出電流對調(diào)節(jié)時間的影響展開研究。

圖6 差值隨時間變化曲線

圖7為不同目標(biāo)流量時的流量變化曲線圖。從圖中可以看出，隨著目標(biāo)流量的增加，達(dá)到平衡所需的時間隨之增加。這主要是由于PLC需要持續(xù)輸出更長的時間來使比例電磁閥達(dá)到合適的開度。圖8為不同PLC輸出電流時的流量變化曲線圖。從圖中可以看出，隨著輸出電流的增加，達(dá)到平衡所需的時間隨之減少。這主要是由于使比例電磁閥達(dá)到相同開度時，單次輸出電流的增加會使PLC所需持續(xù)輸出的時間減少。

圖7 不同目標(biāo)流量的曲線圖

圖8 不同輸出電流的曲線圖

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于并聯(lián)貯箱均衡排放的自適應(yīng)流量閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上完成了驗證性試驗，驗證了調(diào)節(jié)及控制方法的可行性，并得到了流量隨時間變化曲線、不同目標(biāo)流量對調(diào)節(jié)時間的影響和不同輸出電流對調(diào)節(jié)時間的影響。對試驗結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，同時結(jié)合地面調(diào)節(jié)試驗的過程中遇到的問題，本文提出以下改進(jìn)方案：

a)本文的試驗為第一階段試驗，主要是摸索調(diào)節(jié)及控制方法可行性，并針對初始調(diào)節(jié)策略中的問題加以改進(jìn)。因此僅針對A支路進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，A/B雙路并聯(lián)均衡排放將在完善調(diào)節(jié)策略后的第二階段試驗中展開；

b)在初始調(diào)節(jié)策略中，比例電磁閥均從相同開度進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，這在工程實際應(yīng)用中不具備可行性。通過進(jìn)一步分析試驗結(jié)果，圖5(流量隨時間變化曲線)表明：流量與調(diào)節(jié)電流存在固定的變化曲線；圖7(不同目標(biāo)流量對總時間的影響)表明：不同目標(biāo)流量不能采用相同的調(diào)節(jié)方案；圖8(不同輸出電流對調(diào)節(jié)時間的影響)表明：通過改變輸出電流，可以得到不同的調(diào)節(jié)方案。因此，調(diào)節(jié)策略的改進(jìn)方案如下：1)增加比例電磁閥標(biāo)定試驗，得到流量與調(diào)節(jié)電流的曲線以及精度與輸出電流的曲線，用于改善PLC調(diào)節(jié)模式；2)對PLC控制程序進(jìn)行改善，增加不同的調(diào)節(jié)模式，舉例如下：當(dāng)目標(biāo)流量為55 g/s時，PLC通過計算初始流量(假設(shè)為25 g/s)時的對應(yīng)調(diào)節(jié)電流與目標(biāo)流量調(diào)節(jié)電流的差值(假設(shè)為-3.6 mA)，先進(jìn)行大流量調(diào)節(jié)(輸出電流為1 mA/s)，隨后進(jìn)行小流量調(diào)節(jié)(輸出電流為0.2 mA/s)，并結(jié)合精度要求，判斷最后的輸出電流(0.2 mA/s或更低)。通過結(jié)合不同工況要求采用不同的調(diào)節(jié)模式，將大幅縮減調(diào)節(jié)時間，從而滿足工程應(yīng)用需求。