基于電磁自動加載的姿控發動機推力架標定控制系統設計

張天亮 ,姚 娜 ,王得志

(1.北京航天自動控制研究所,北京 100854;2.北京航天試驗技術研究所,北京 100074)

1 引言

姿態控制發動機廣泛應用在運載火箭、衛星等各類現代空間飛行器上,是不可缺少的動力裝置,主要用于維持飛行器姿態穩定和調整[1],是決定飛行器性能可靠的關鍵因素。姿態控制發動機的推力范圍一般為0.02～1 000 N。

姿態控制發動機的地面試驗是其研制過程中不可缺少的工作環節,其中推力是反映發動機性能參數的關鍵指標,而對推力矢量的測試需要預先進行系統精度評定工作,即推力矢量測試系統中傳感器的原位標定。因傳感器安裝狀態、推進劑供應管路約束、現場環境溫度變化、真空環境等影響,傳感器出廠時的校準系數不適用于發動機試驗現場測試使用,因此需要通過原位標定對推力測試系統中的工作傳感器進行標定,以確定其實際性能特性,確保達到使用指標[2]。同時為保證測試的精確性,在每次姿控發動機推力測試之前,都需要對工作傳感器進行一次對應實際工作狀態下的原位標定[3]。

原位標定系統分為單向力標定系統和多維力標定系統[4],在姿控發動機的一般應用中,由于發動機只產生恒定的軸向主推力,所以只需對發動機軸向主推力進行測量,其測試系統的標定也屬于單向力標定。國防科技大學劉偉亮等人對推力測試平臺進行標定時,用氣缸作為驅動機構產生拉力,模擬發動機軸向推力[5]。該標定試驗架剛性好,但由于測力平面與發動機幾何軸線不同軸,導致標定時會產生附加扭矩,影響測量準確度。劉硯濤等人設計的六維力試驗臺結構呈輪輻式,傳感器具有良好的自解耦性,但結構精度和動態性能難以達到發動機推力矢量測試的需求[6]。

目前工程中常用的原位標定試驗架分為柔性試驗架和非柔性試驗架[7]兩種,柔性試驗架的動架與定架之間多采用板簧連接,其軸向靜態精度通常高于非柔性試驗架,因此在高精度測量中常采用柔性試驗架,但仍會因板簧結構試驗架軸向上的彈阻力等原因,使得難以進一步提高推力測量準確度。同時在原位標定時,常采用懸掛砝碼或電機絲杠的方式模擬發動機推力進行加載,懸掛砝碼的加載方式需要在測試過程中人工更換不同重量的砝碼模擬不同推力,導致工作效率低;而電機加載可重復性和推力分辨精度較低;因此提升加載力穩定性和操作簡便性是亟需解決的問題?；诖?提出一種電磁自動加載的發動機推力模擬標定技術,并將電磁加載技術應用于磁懸浮推力試驗架。磁懸浮推力試驗架采用電磁軸承的非接觸支承方式,保證主推力方向不受任何約束,消除了板簧試驗架給推力測量帶來的誤差,有效提高了主推力測量準確度。同時通過計算機控制加載電磁力實現多回程自動加載,提高原位標定的校準準確度、效率以及穩定性,提升了標定工作的自動化程度并降低人工操作誤差。

2 標定原理

2.1 標定試驗架

標定試驗架用于完成對工作傳感器的原位標定工作。其基本原理是:用計算機自動控制校準組件中的電磁鐵產生變化的作用力,模擬發動機推力作用在傳感器上,通過標準傳感器的輸出對工作傳感器的輸出進行校準標定:將高精度測力傳感器作為標準傳感器,被校力傳感器為工作傳感器,兩傳感器串聯,以標準力傳感器的輸出作為標準力值,采用比對法對工作傳感器進行校準。標定試驗架主要由定架、動架、測力組件、標定設備、校準組件等組成。定架主要包括:磁懸浮軸承座、預緊力加載裝置、承力墩、定架平臺等;動架包括傳力框以及磁懸浮裝置中的懸浮軸,如圖1 所示。

圖1 標定試驗架結構Fig.1 Calibration test frame structure

標定過程開始后,控制器首先為磁懸浮裝置[8]中的電磁鐵加載電流,懸浮軸在電磁力的作用下起浮,并穩定在設定的間隙處,同時帶動動架上的傳力框以及標準傳感器和測力傳感器懸浮于空中。設軸線方向為z軸,發動機在軸線方向上產生的主推力為Fz,同時會產生側向力ΔFx和ΔFy,控制磁懸浮系統產生電磁力增量抵消側向力,使除z軸方向自由外,其余方向保持原位不變,保證穩態時作用在測力傳感器上的力Fwork就只有發動機產生的軸向主推力,即

此時懸浮軸在軸線方向與承力墩單點接觸,在徑向不與定架存在接觸,因此軸向沒有其他附加力,消除了支撐結構對測力過程的影響,測力準確度只取決于測力傳感器的測量準確度,有效降低了測量誤差。

2.2 校準組件

校準組件實現對測力傳感器標定,標定過程需要對標準傳感器和測力傳感器進行獨立加載,通過軸向加載電磁鐵給標準傳感器實現非接觸軸向力加載。若忽略漏磁影響,作用在加載盤上的電磁力F表達式[9]為

式中:B——磁感應強度;S——電磁鐵面積;μ0——真空磁導率,μ0=4π×10-7。

若磁路未達到飽和,B可按公式(3)計算。

式中:N——電磁鐵中線圈匝數;I——電磁鐵線圈中電流;δ——間隙厚度。

將公式(2)代入公式(3)得

由公式(4)可知,作用在加載盤上的電磁力與電磁鐵通入電流的平方成正比,因此通過控制電流或電壓的輸入,即可得到原位校準所需的動態標定加載力[10]。

校準組件由電磁鐵、加載盤、標定拉桿、標定橫梁、校準傳感器等組成,其結構如圖2 所示。原位校準過程首先控制電磁鐵產生一定的磁力,作用在加載盤上,使其產生向右的位移。加載盤產生位移的同時帶動標定拉桿,從而帶動標定橫梁上的傳壓塊給予校準傳感器壓力,隨后根據其反饋的信號,參照計量證書的結果對測力傳感器進行標定。標定完成后,電磁鐵斷電,加載盤在彈簧的作用下移至限位螺栓限定的初始位置,從而實現標準傳感器和測力傳感器的分離,原位校準過程結束。在進行姿控發動機推力測試時,只有測力傳感器受力,標準傳感器處于空載狀態,無需改變測試環境,保證了傳感器校準工作和推力測試工作中力值傳遞的一致性。

圖2 推力標定校準組件局部示意圖Fig.2 Partial schematic diagram of thrust calibration calibration components

3 校準系統及性能仿真

3.1 系統設計

原位標定過程通過計算機自動控制完成,能夠實現多回程的靜態標定,并自動輸出標定系數和精度,如圖3 所示,在標定過程中,加載電磁鐵給標準傳感器提供加載力,電橋及顯示模塊測量標準傳感器的輸出;同時計算機控制系統給用戶測試系統發送觸發信號,測試系統接收到該觸發信號后采樣測量傳感器的輸出,并按照該時刻電橋及顯示模塊的顯示輸出進行標定;隨后計算機控制系統輸出控制信號,經功率放大器驅動電磁鐵線圈改變軸向加載力,實現整個系統的多回程自動標定。

圖3 自動加載和標定系統Fig.3 Automatic loading and calibration system

電磁加載過程中,溫度變化、裝置變形等因素會造成加載的電磁力產生變化,非恒定的電磁力會影響標定準確度,因此進行電磁加載力的閉環反饋控制,將標定傳感器的輸出信號與加載電磁力指令比較后,對誤差進行PI 負反饋控制,再輸出給加載電磁鐵的電流放大器。加載控制器原理如圖4 所示,構成閉環控制系統,通過負反饋控制穩定加載時的電磁力。

圖4 加載控制器原理Fig.4 Loading controller principle

由于加載盤和測力傳感器間存在初始間隙,為防止間隙閉合時產生較大沖擊力,設計了輸出切換模塊:首先控制器通過開環控制輸出一個緩慢增大的電壓信號給放大器,加載力逐漸增大,克服彈簧力作用使間隙閉合,待加載裝置與測力傳感器間的縫隙完全閉合后,切換為電磁加載力的閉合PI 控制方式,保證電磁加載力的穩定。在標定過程結束后,將控制器再次切換為開環控制方式,逐步減小電磁力使加載裝置和測力傳感器分離?？刂破鬏敵龅那袚Q過程如圖5 所示,階段Ⅰ和階段Ⅲ為開環控制階段,階段Ⅱ為PI 閉環控制階段,此階段中以斜坡方式增大或減小電磁加載力的給定值,控制器電壓調節時間為1 s。

圖5 控制器輸出切換過程Fig.5 Controller output switching process

3.2 加載過程及仿真

電磁自動加載的仿真流程按照原位校準試驗的實際流程,對原位校準組件進行模擬加載。自動標定的仿真分為三個階段:

(1)電磁鐵通電后逐步增大其電流,當電磁力大于分離彈簧的彈力后,加載盤向右移動消除標準傳感器和加載橫梁的初始間隙,實現標準傳感器的預緊工作;

(2)在單個回程的校準過程中,電磁鐵在控制信號的作用下按照500 N 的步長給標準傳感器自動加載,每個工作步長持續5 s。當電磁力加載到2 500 N后再按照500 N 的步長進行卸載,最終實現一個回程的標定;重復上述自動加載和卸載的過程以完成多回程自動校準工作。

(3)在完成多回程的校準后,逐步減小電磁鐵電流,當電磁鐵產生的電磁力小于分離彈簧的彈力后,加載盤在分離彈簧的作用下向左移動,并帶動加載橫梁也向左移動,實現標準傳感器和加載裝置的分離。

同時,加載過程中為保證電流功放輸出不超過實際加載線圈的允許載流范圍,對控制器進行限幅處理,輸出限幅范圍為0～3.5 V,從而保證加載線圈的安全工作?？刂破鲄颠x擇如表1 所示。

表1 加載控制器參數Tab.1 Loading controller parameters

仿真過程中,標準傳感器和測量傳感器的軸向剛度均為1.25 ×107N/m,兩傳感器串聯后的剛度為6.25 ×106N/m。仿真結果如圖6 和圖7 所示。

圖6 單回程原位校準電磁加載力和標準傳感器輸出Fig.6 In-situ calibration of electromagnetic loading force and standard sensor output

圖7 單回程原位校準加載盤的位移Fig.7 Single-pass in-situ calibration of displacement of loading plate

通過仿真結果可以看出,標準傳感器輸出與電磁力加載參考標準數值重合,標準傳感器與電磁加載力的差值是由彈簧預緊力引起的。整個標定過程中自動加載的電磁力穩定可控,能夠實現傳感器的高精度標定。各工作階段狀態切換平穩,標定結束后也可以實現標準傳感器和加載裝置的可靠分離。

本次仿真是針對0～2 500 N 量程、步長為500 N進行的,實際工作中可根據姿控發動機試驗實際需求,改變量程和步長。

4 標定試驗

試驗選用標準傳感器(1 110 GHI-2.5 kN),對工作傳感器(1 210 GHI-2.5 kN)進行原位標定,標定過程設定5 個載荷梯度,分別進行3 次循環。多回程自動標定的輸出結果如表2 所示。

表2 推力標定進回程電壓輸出數據Tab.2 Thrust calibration input return voltage output data

根據上表3 擬合姿控發動機推力測量值Fwork和工作傳感器輸出電壓值Vwork,獲得擬合公式為

表3 推力標定誤差分析Tab.3 Error analysis of thrust calibration

擬合曲線如圖8 所示。

圖8 推力標定數據擬合曲線Fig.8 Thrust calibration data fitting curve

分析表3 數據,計算得出:線性偏差ΔθL=0.01%,滯后偏差ΔθH=0.06%,重復偏差ΔθR=0.02%,根據綜合測量精度誤差理論

得到綜合測量精度為δA=0.064%,此精度可以滿足姿控發動機測量工作要求。

5 結束語

針對磁懸浮推力測量架,完成了姿控發動機推力模擬電磁加載標定系統的設計。標定過程中懸浮軸在軸向沒有其他附加力,軸線方向與承力墩單點接觸,消除了支撐結構對測力過程的影響,有效降低了測量誤差,提升推力標定的準確度。

采用電磁自動加載技術模擬發動機推力,仿真結果表明加載的電磁力值穩定可控、各工作階段狀態切換平穩,有效提高了自動化水平、降低了人為操作誤差,提高了標定的效率。

靜態標定試驗結果顯示,標定系統能夠實現力傳感器多回程的高精度標定,充分驗證了此系統功能及控制準確度均滿足姿控發動機推力測試工作要求。