CN112177803B - 一种基于气压预测的分时点火控制方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气压预测的分时点火控制方法及***，包括：根据产气量M_in和排气量M_out，计算预测气量M_y；根据充入气体带入焓H_in、排出气体内带出焓H_out和换热量Q，计算储存气体总热力学能U和储存气体预测温度T_y；根据动态扩充容积dV和储气装置固定容积V₀，计算预测容积V_y；根据预测气量M_y、预测温度T_y和预测容积V_y，通过气体状态方程计算预测气压P_y；当预测气压P_y低于设定压力阈值P_m且距离上一套脉冲产气单元的点火时间大于设定时间阈值t_m时，发出点火指令。本发明使用预测气压代替传统基于压力传感器的测量气压实现闭环控制，通过软件算法实现硬件功能，提高了***可靠性、可维护性和经济性。

Description

一种基于气压预测的分时点火控制方法及***

技术领域

本发明涉及火工能源动力技术领域，具体涉及一种基于气压预测的分时点火控制方法及***。

背景技术

在火工能源动力装置中，通常由推进剂或火药燃烧产生高温高压气体来实现动力输出。一系列脉冲产气单元与储气装置连通，先将推进剂或火药燃烧产生的气体存储于储气装置中，再由储气装置向外排气产生动力，依靠储气装置压力变化的缓冲效应实现能量的储存和匹配。为保证储气装置内的气量始终充足，需要合适的控制算法对脉冲产气单元进行点火控制，保证气量不足时能够及时补充。常规的控制***如图1所示，通过压力传感器测试储气装置压力，并与设定压力阈值对比，当反馈压力低于设定压力时，控制脉冲产气单元点火，向储气装置补气。

上述控制***存在如下问题：

1、压力传感器的检定问题

压力传感器通常需要定期检定(检定期一般为一年)，通常火工能源动力装置安装在封闭的舱段内部，检定时需要将舱段分解脱壳；此外，压力传感器的拆卸还涉及到安装接口的高温高压密封问题，拆装后必须重新进行气密性测试，操作极为不便。

2、压力传感器的准确性问题

当压力传感器出现故障或由于干扰产生的局部扰动，可能会导致误点火或不点火，从而造成储气装置压力过高或气量不足，使火工能源动力装置失效；压力传感器的使用降低了***的整体可靠性。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于气压预测的分时点火控制方法及***。

本发明公开了一种基于气压预测的分时点火控制方法，包括：

气量预测：

根据脉冲产气单元的产气特性预测产气量M_in；

根据排气装置的累计排气时间t_P和排气质量流量dM_out，计算排气量M_out；

根据产气量M_in和排气量M_out，计算预测气量M_y；

温度预测：

根据充气质量流量dM_in和充气温度，计算充入气体带入焓H_in；

根据排气质量流量dM_out和排气温度，计算排出气体内带出焓H_out；

根据对流换热理论，计算气体与外部环境的换热量Q；

根据充入气体带入焓H_in、排出气体内带出焓H_out和换热量Q，计算储存气体总热力学能U和储存气体预测温度T_y；

容积预测：

根据产气量M_in和药柱密度ρ，计算药剂燃烧后的动态扩充容积dV；

根据动态扩充容积dV和储气装置固定容积V₀，计算预测容积V_y；

气压预测：

根据预测气量M_y、预测温度T_y和预测容积V_y，通过气体状态方程计算预测气压P_y；

点火判定：

当预测气压P_y低于设定压力阈值P_m且距离上一套脉冲产气单元的点火时间大于设定时间阈值t_m时，发出点火指令。

作为本发明的进一步改进，在所述气量预测中，M_out＝dM_out*t_P，M_y＝M_in-M_out。

作为本发明的进一步改进，在所述气量预测中，H_in＝c_p*dM_in*T_g，H_out＝c_p*dM_out*T_y0，U＝H_in+H_out+Q+U₀，T_y＝U/(c_v*M_y)；

式中，T_g为燃气定压燃烧温度，c_p为燃气定压比热，c_v为燃气定容比热，T_y0为上次循环的储存气体预测温度，U₀为上次循环的储存气体热力学能。

作为本发明的进一步改进，所述储存气体预测温度T_y，还用于反馈修正换热量Q、排气质量流量dM_out和排出气体带出焓H_out。

作为本发明的进一步改进，在所述容积预测中，dV＝M_in/ρ，V_y＝V₀+dV。

作为本发明的进一步改进，在所述气压预测中，P_y＝M_yR_gT_y/V_y；

式中，R_g为燃气气体常数。

作为本发明的进一步改进，在所述点火判定中，若P_y≤P_m且t-t₀≥t_m，发出点火指令；并判断脉冲产气单元是否全部作用，若是，则控制流程结束；若否，则返回进入下次循环；

式中，t为当前时间，t₀为上一套脉冲产气单元的点火时间。

作为本发明的进一步改进，所述压力阈值P_m的取值范围为7MPa～12MPa，所述时间阈值t_m的取值范围为t_r～1.5t_r，t_r为单套产气单元的燃烧时间。

本发明还公开了一种基于气压预测的分时点火控制***，用于实现上述的分时点火控制方法，包括：多个脉冲产气单元、储气装置、点火控制器和排气控制器，所有所述脉冲产气单元与所述储气装置相连通，所述储气装置的排气口上设有排气装置；

所述排气控制器与所述排气装置相连，用于控制所述排气装置的排气；所述点火控制器与所述排气控制器相连，获取排气装置的累计排气时间t_P；

其中，所述点火控制器包括：

气量预测模块，用于实现所述气量预测；

温度预测模块，用于实现所述温度预测；

容积预测模块，用于实现所述容积预测；

气压预测模块，用于实现所述气压预测；

点火判定模块，用于实现所述点火判定。

作为本发明的进一步改进，所述点火控制器，还包括：

温度反馈修正回路，所述温度反馈修正回路自所述温度预测模块的输出端连接所述气量预测模块和温度预测模块的输入端，用于储存气体预测温度T_y反馈修正换热量Q、排气质量流量dM_out和排出气体带出焓H_out。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明无需压力传感器，使用预测气压代替传统基于压力传感器的测量气压实现闭环控制，通过软件算法实现硬件功能，提高了***可靠性、可维护性和经济性；避免了压力传感器故障或信号干扰导致的***失效、避免了压力传感器装机后需要定期拆卸检测的难题，特别适合于高可靠性和高维护性的应用场合；

2、本发明利用气体动力学、热力学、传热学理论，建立了***压力、温度、气量、容积等状态变量的内在耦合规律，具有预测精度高、适应性强、鲁棒性好的特点；

3、本发明的计算方法为在线迭代递推形式，每一步的计算值仅依赖上一步计算值和当前输入值，单步计算仅有加减乘除运算符，计算量小，适合在嵌入式硬件中实现在线高速实时控制。

附图说明

图1为现有分时点火控制***的控制原理图；

图2为本发明一种实施例公开的基于气压预测的分时点火控制***的结构示意图；

图3为图2中点火控制器的框架图；

图4为本发明一种实施例公开的基于气压预测的分时点火控制方法的流程图。

图中：

1、脉冲产气单元；2、储气装置；3、排气装置；4、点火控制器；5、排气控制器；6、气量预测模块；7、温度预测模块；8、容积预测模块；9、气压预测模块；10、点火判定模块；11、温度反馈修正回路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图4所示，本发明提供一种基于气压预测的分时点火控制方法，用于火工能源动力装置的分时点火控制；其中，如图2所示，火工能源动力装置包括多个脉冲产气单元1和储气装置2，所有脉冲产气单元1与储气装置2相连通，储气装置2的排气口上设有排气装置3；本发明的分时点火控制方法包括：

S1、气量预测：

S11、根据脉冲产气单元的产气特性预测产气量M_in；

S12、根据排气装置的累计排气时间t_P和排气质量流量dM_out，计算排气量M_out；其中，M_out＝dM_out*t_P；

S13、根据产气量M_in和排气量M_out，计算预测气量M_y；其中，M_y＝M_in-M_out。

S2、温度预测：

S21、根据充气质量流量dM_in和充气温度，计算充入气体带入焓H_in；其中，dM_in＝M_in/t_F，t_F为脉冲产气单元1的充气时间，其为固定值；H_in＝c_p*dM_in*T_g，T_g为燃气定压燃烧温度，c_p为燃气定压比热；

S22、根据排气质量流量dM_out和排气温度，计算排出气体内带出焓H_out；其中，H_out＝c_p*dM_out*T_y0，c_p为燃气定压比热，T_y0为上次循环的储存气体预测温度；

S23、根据对流换热理论，计算气体与外部环境的换热量Q；

S24、根据充入气体带入焓H_in、排出气体内带出焓H_out和换热量Q，计算储存气体总热力学能U和储存气体预测温度T_y；其中，U＝H_in+H_out+Q+U₀，T_y＝U/(c_v*M_y)；c_v为燃气定容比热，U₀为上次循环的储存气体热力学能；

进一步，储存气体预测温度T_y，还用于反馈修正换热量Q、排气质量流量dM_out和排出气体带出焓H_out；可以消除温度变化引起的气量预测误差和温度预测误差，提高气量预测精度和温度预测精度。

S3、容积预测：

S31、根据产气量M_in和药柱密度ρ，计算药剂燃烧后的动态扩充容积dV；其中，dV＝M_in/ρ；

S32、根据动态扩充容积dV和储气装置固定容积V₀，计算预测容积V_y；其中，V_y＝V₀+dV。

S4、气压预测：

根据预测气量M_y、预测温度T_y和预测容积V_y，通过气体状态方程计算预测气压P_y；其中，P_y＝M_yR_gT_y/V_y，R_g为燃气气体常数。

S5、点火判定：

当预测气压P_y低于设定压力阈值P_m且距离上一套脉冲产气单元的点火时间大于设定时间阈值t_m时，发出点火指令；其中，

具体为：若P_y≤P_m且t-t₀≥t_m，发出点火指令；并判断脉冲产气单元是否全部作用，若是，则控制流程结束；若否，则返回进入下次循环；式中，t为当前时间，t₀为上一套脉冲产气单元的点火时间。

本发明的压力阈值P_m的选取以单套产气单元的气体完全充入储气装置时的峰值压力不超过储气装置设计压力为原则，典型压力阈值P_m取值范围为7MPa～12Mpa；

本发明的时间阈值t_m的选取以不小于单套产气单元的燃烧时间t_r为原则，避免2套脉冲产气单元同时向储气装置充气情况，典型时间阈值t_m取值范围为t_r～1.5t_r。

进一步，ρ、R_g、T_g、c_p、c_v、P_m、t_m，在线计算时均为已知常数，在参数初始化时装订赋值。

本发明的上述控制算法为在线迭代递推形式，单步计算量小，适合在嵌入式硬件中实现在线高速实时控制。

如图2所示，本发明的一种基于气压预测的分时点火控制***由6套脉冲产气单元1、1套储气装置2、1套排气装置3、1套点火控制器4和1套排气控制器5组成。6套脉冲产气单元1同时与储气装置2连通，脉冲产气单元1点火燃烧后产生的气体能够全部充入到储气装置2中。储气装置2的出口安装排气装置3，排气装置3通过排气控制器5进行控制，排气控制器5与点火控制器4之间通过CAN通信传递累计排气时间t_P信息。基于气压预测的分时点火控制算法在点火控制器中实现，点火控制器接受排气时间t_P信息后，按照内部算法自动控制6套脉冲产气单元1的分时点火，保证储气装置2的气压在合适范围内。

如图3所示，本发明的点火控制器4包括：

气量预测模块6，用于实现上述S1；

温度预测模块7，用于实现上述S2；

容积预测模块8，用于实现上述S3；

气压预测模块9，用于实现上述S4；

点火判定模块10，用于实现上述S5。

温度反馈修正回路11，温度反馈修正回路11自温度预测模块7的输出端连接气量预测模块6和温度预测模块7的输入端，用于储存气体预测温度T_y反馈修正换热量Q、排气质量流量dM_out和排出气体带出焓H_out。

本发明的优点为：

1、本发明无需压力传感器，使用预测气压代替传统基于压力传感器的测量气压实现闭环控制，通过软件算法实现硬件功能，提高了***可靠性、可维护性和经济性；避免了压力传感器故障或信号干扰导致的***失效、避免了压力传感器装机后需要定期拆卸检测的难题，特别适合于高可靠性和高维护性的应用场合；

2、本发明利用气体动力学、热力学、传热学理论，建立了***压力、温度、气量、容积等状态变量的内在耦合规律，具有预测精度高、适应性强、鲁棒性好的特点；

3、本发明的计算方法为在线迭代递推形式，每一步的计算值仅依赖上一步计算值和当前输入值，单步计算仅有加减乘除运算符，计算量小，适合在嵌入式硬件中实现在线高速实时控制。

以上仅为本发明的优选实施例而已，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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于气压预测的分时点火控制方法，其特征在于，包括：

气量预测：

根据脉冲产气单元的产气特性预测产气量M_in；

根据排气装置的累计排气时间t_P和排气质量流量dM_out，计算排气量M_out；

根据产气量M_in和排气量M_out，计算预测气量M_y；

温度预测：

根据充气质量流量dM_in和充气温度，计算充入气体带入焓H_in；

根据排气质量流量dM_out和排气温度，计算排出气体内带出焓H_out；

根据对流换热理论，计算气体与外部环境的换热量Q；

根据充入气体带入焓H_in、排出气体内带出焓H_out和换热量Q，计算储存气体总热力学能U和储存气体预测温度T_y；

容积预测：

根据产气量M_in和药柱密度ρ，计算药剂燃烧后的动态扩充容积dV；

根据动态扩充容积dV和储气装置固定容积V₀，计算预测容积V_y；

气压预测：

根据预测气量M_y、预测温度T_y和预测容积V_y，通过气体状态方程计算预测气压P_y；

点火判定：

当预测气压P_y低于设定压力阈值P_m且距离上一套脉冲产气单元的点火时间大于设定时间阈值t_m时，发出点火指令；具体为：若P_y≤P_m且t-t₀≥t_m，发出点火指令；并判断脉冲产气单元是否全部作用，若是，则控制流程结束；若否，则返回进入下次循环；式中，t为当前时间，t₀为上一套脉冲产气单元的点火时间。

2.如权利要求1所述的分时点火控制方法，其特征在于，在所述气量预测中，M_out＝dM_out*t_P，M_y＝M_in-M_out。

3.如权利要求1所述的分时点火控制方法，其特征在于，在所述气量预测中，H_in＝c_p*dM_in*T_g，H_out＝c_p*dM_out*T_y0，U＝H_in+H_out+Q+U₀，T_y＝U/(c_v*M_y)；

式中，T_g为燃气定压燃烧温度，c_p为燃气定压比热，c_v为燃气定容比热，T_y0为上次循环的储存气体预测温度，U₀为上次循环的储存气体热力学能。

4.如权利要求3所述的分时点火控制方法，其特征在于，所述储存气体预测温度T_y，还用于反馈修正换热量Q、排气质量流量dM_out和排出气体带出焓H_out。

5.如权利要求1所述的分时点火控制方法，其特征在于，在所述容积预测中，dV＝M_in/ρ，V_y＝V₀+dV。

6.如权利要求1所述的分时点火控制方法，其特征在于，在所述气压预测中，P_y＝M_yR_gT_y/V_y；

式中，R_g为燃气气体常数。

7.如权利要求1所述的分时点火控制方法，其特征在于，所述压力阈值P_m的取值范围为7MPa～12MPa，所述时间阈值t_m的取值范围为t_r～1.5t_r，t_r为单套产气单元的燃烧时间。

8.一种基于气压预测的分时点火控制***，用于实现如权利要求1-7中任一项所述的分时点火控制方法，包括：多个脉冲产气单元和储气装置，所有所述脉冲产气单元与所述储气装置相连通，所述储气装置的排气口上设有排气装置；其特征在于，还包括：点火控制器和排气控制器；

所述排气控制器与所述排气装置相连，用于控制所述排气装置的排气；所述点火控制器与所述排气控制器相连，获取排气装置的累计排气时间t_P；

其中，所述点火控制器包括：

气量预测模块，用于实现所述气量预测；

温度预测模块，用于实现所述温度预测；

容积预测模块，用于实现所述容积预测；

气压预测模块，用于实现所述气压预测；

点火判定模块，用于实现所述点火判定。

9.如权利要求8所述的分时点火控制***，其特征在于，所述点火控制器，还包括：

温度反馈修正回路，所述温度反馈修正回路自所述温度预测模块的输出端连接所述气量预测模块和温度预测模块的输入端，用于储存气体预测温度T_y反馈修正换热量Q、排气质量流量dM_out和排出气体带出焓H_out。

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