CN114320668A

CN114320668A - 基于双执行机构的固液变推力发动机控制器和控制方法

Info

Publication number: CN114320668A
Application number: CN202210205452.8A
Authority: CN
Inventors: 宋佳; 胡云龙; 赵鸣飞; 罗雨歇; 童心迪
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2022-03-04
Filing date: 2022-03-04
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2042-03-04
Also published as: CN114320668B

Abstract

本发明提供了一种基于双执行机构的固液变推力发动机控制器和控制方法，包括：电动泵控制回路和阀门控制回路；电动泵控制回路，用于基于固液变推力发动机的期望推力和推力误差，确定电动泵的第一控制量，并基于第一控制量控制电动泵控制回路中的液体氧化剂流量为第一流量；阀门控制回路，用于基于推力误差和可变文氏管的可调阀门的开度，确定可调阀门的第二控制量，并基于第二控制量控制阀门控制回路中的液体氧化剂流量为第二流量；其中，第一流量和第二流量之和为固液变推力发动机在期望推力下所需的液体氧化剂流量。本发明缓解了现有技术中存在的由于电动泵与可调阀门无法同时配合控制导致的变推力控制范围受限的技术问题。

Description

基于双执行机构的固液变推力发动机控制器和控制方法

技术领域

本发明涉及火箭发动机控制器设计技术领域，尤其是涉及一种基于双执行机构的固液变推力发动机控制器和控制方法。

背景技术

与传统的推进技术(固体和液体)相比，固液混合动力火箭发动机简单、开发和操作安全、可靠、环保，而且成本更低。

一般的固液混合火箭发动机利用固体燃料与液体氧化剂通过化学反应产生推力。固体燃料以特定构型被浇筑在燃烧室中，液体氧化剂通过挤压式或泵压式增压，经液路输送***送入燃烧室，与固体燃料产生化学反应，产生高温高压气体，经喷管加速，形成高速低温气体，向后方喷出，从而产生向前的反作用力。

而固液混合变推力火箭发动机作为其继承与发展，具有依据需求对发动机推力进行调控的功能，一般通过实时调节液路输送***中的阀门开度或电动泵的功率大小，实现对液体氧化剂流量的调节，从而影响化学反应过程，控制反应释放的能量，最终实现控制发动机推力的功能。

当前固液变推力火箭发动机控制技术具有如下缺点：以阀门控制流量的液路输送***，因为阀门的实际开度受限，过大或过小的开度会使得液路输送***无法稳定工作，而以电动泵控制流量的液路输送***，因为流量对电动泵的功率比较敏感，使得流量非线性变化，导致推力的变化也是非线性的；因此，现有技术中由于不能同时对电动泵与可调阀门配合控制，而存在着变推力控制范围受限的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于双执行机构的固液变推力发动机控制器和控制方法，以缓解现有技术中存在的由于电动泵与可调阀门无法同时配合控制导致的变推力控制范围受限的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于双执行机构的固液变推力发动机控制器，包括：电动泵控制回路和阀门控制回路；所述电动泵控制回路，用于基于固液变推力发动机的期望推力和推力误差，确定电动泵的第一控制量，并基于所述第一控制量控制所述电动泵控制回路中的液体氧化剂流量为第一流量；所述推力误差为所述固液变推力发动机的实际推力与所述期望推力之间的误差；所述阀门控制回路，用于基于所述推力误差和可变文氏管的可调阀门的开度，确定所述可调阀门的第二控制量，并基于所述第二控制量控制所述阀门控制回路中的液体氧化剂流量为第二流量；其中，所述第一流量和所述第二流量之和为所述固液变推力发动机在所述期望推力下所需的液体氧化剂流量。

进一步地，所述电动泵控制回路包括：模糊PID控制器和电动泵；所述模糊PID控制器，用于基于预设模糊规则库，以所述期望推力和所述推力误差作为输入量，确定所述电动泵的第一控制量；所述电动泵，用于控制所述电动泵控制回路中的液体氧化剂流量。

进一步地，所述阀门控制回路包括：PID控制器和可变文氏管；所述PID控制器，用于以所述推力误差作为输入量，得到所述可变文氏管的初始控制量；所述阀门控制回路，还用于将所述初始控制量与所述可调阀门的开度的差值作为所述第二控制量。

进一步地，还包括测量模块，用于获取发动机实际推力和所述可调阀门的开度。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于双执行机构的固液变推力发动机控制方法，应用于基于双执行机构的固液变推力发动机控制器；所述控制器包括：电动泵控制回路和阀门控制回路；所述方法包括：基于固液变推力发动机的期望推力和推力误差，确定电动泵的第一控制量，并基于所述第一控制量控制所述电动泵控制回路中的液体氧化剂流量为第一流量；所述推力误差为所述固液变推力发动机的实际推力与所述期望推力之间的误差；基于所述推力误差和可变文氏管的可调阀门的开度，确定所述可调阀门的第二控制量，并基于所述第二控制量控制所述阀门控制回路中的液体氧化剂流量为第二流量；其中，所述第一流量和所述第二流量之和为所述固液变推力发动机在所述期望推力下所需的液体氧化剂流量。

进一步地，基于固液变推力发动机的期望推力和推力误差，确定电动泵的第一控制量，包括：基于预设模糊规则库，以所述期望推力和所述推力误差作为输入量，确定所述电动泵的第一控制量。

进一步地，所述阀门控制回路包括：PID控制器和可变文氏管；基于所述推力误差和可变文氏管的可调阀门的开度，确定所述可调阀门的第二控制量，包括：以所述推力误差作为所述PID控制器输入量，得到所述可变文氏管的初始控制量；将所述初始控制量与所述可调阀门的开度的差值，确定为所述第二控制量。

进一步地，还包括：获取发动机实际推力和所述可调阀门的开度。

第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第二方面所述的方法的步骤。

第四方面，本发明实施例还提供了一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，所述程序代码使所述处理器执行上述第二方面所述方法。

本发明提供了一种基于双执行机构的固液变推力发动机控制器和控制方法，通过双执行机构相互协调控制固液混合变推力发动机，能使推力调节能力范围变大，从而使任务剖面变大，能适配多种飞行任务，缓解了现有技术中存在的由于电动泵与可调阀门无法同时配合控制导致的变推力控制范围受限的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于双执行机构的固液变推力发动机控制器的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于双执行机构的固液变推力发动机控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。

实施例一：

图1是根据本发明实施例提供的一种基于双执行机构的固液变推力发动机控制器的示意图。该控制器应用于固液变推力发动机。如图1所示，该控制器包括：电动泵控制回路10和阀门控制回路20。

具体的，电动泵控制回路10，用于基于固液变推力发动机的期望推力Tr和推力误差e，确定电动泵的第一控制量u1，并基于第一控制量u1控制电动泵控制回路中的液体氧化剂流量为第一流量w1；推力误差e为固液变推力发动机的实际推力Tc与期望推力Tr之间的误差。

阀门控制回路20，用于基于推力误差e和可变文氏管的可调阀门的开度δ，确定可调阀门的第二控制量，并基于第二控制量控制阀门控制回路中的液体氧化剂流量为第二流量w2；其中，第一流量w1和第二流量w2之和为固液变推力发动机在期望推力Tr下所需的液体氧化剂流量w。

本发明提供了一种基于双执行机构的固液变推力发动机控制器，通过双执行机构相互协调控制固液混合变推力发动机，能使推力调节能力范围变大，从而使任务剖面变大，能适配多种飞行任务，缓解了现有技术中存在的由于电动泵与可调阀门无法同时配合控制导致的变推力控制范围受限的技术问题。

如图1所示，本发明实施例提供的电动泵控制回路10包括：模糊PID控制器11和电动泵12。

具体的，模糊PID控制器11，用于基于预设模糊规则库，以期望推力Tr和推力误差e作为输入量，确定电动泵的第一控制量u1；

电动泵12，用于控制电动泵控制回路中的液体氧化剂流量。

在本发明实施例中，对于电动泵控制回路，采用模糊控制方法。具体的，模糊PID控制器的输入量有两个，分别是期望推力Tr和推力误差e，然后根据这两个量生成电动泵的控制指令u1，再得到电动泵控制回路的液体氧化剂流量w1。

进一步说明本发明实施例提供的电动泵控制回路中的模糊控制工作原理：

（1）选定模糊PID控制器的输入量：

电动泵的功率大小与期望推力和推力误差相关，所以将这两个量作为控制器的输入量。

（2）建立模糊规则库：

以一定的推力梯度建立如下期望推力限值：T₁、T₂、…、T_n；

再以一定的误差梯度建立如下误差：e₁、e₂、…、e_n。

然后建立如下模糊规则库：

	（e<sub>1</sub>，e<sub>2</sub>）	（e<sub>2</sub>，e<sub>3</sub>）	…	（e<sub>n-1</sub>，e<sub>n</sub>）
					（T<sub>1</sub>，T<sub>2</sub>）	u<sub>11</sub>	u<sub>12</sub>	…	u<sub>1(n-1)</sub>
（T<sub>2</sub>，T<sub>3</sub>）	u<sub>21</sub>	u<sub>22</sub>	…	u<sub>2(n-1)</sub>
					…	…	…	…	…
（T<sub>n-1</sub>，T<sub>n</sub>）	u<sub>(n-1)1</sub>	u<sub>(n-1)1</sub>	…	u<sub>(n-1) (n-1)</sub>

（3）查表：

根据期望推力大小和推力误差大小查表，输出电动泵的控制指令（即电动泵的功率）。

如图1所示，本发明实施例提供的阀门控制回路20包括：PID控制器21和可变文氏管22。

具体的，PID控制器21，用于以推力误差e作为输入量，得到可变文氏管22的初始控制量u2；

阀门控制回路20，还用于将初始控制量u2与可调阀门的开度δ的差值作为第二控制量。

在本发明实施例中，对于可变文氏管所在回路（即阀门控制回路），期望推力Tr与实际推力Tc产生的推力误差e作为PID控制器的输入量，然后生成可变文氏管的控制指令u2，再与实际测量的可调阀门的开度δ相减，得到可变文氏管的实际控制量，最终得到可变文氏管所在回路的液体氧化剂流量w2。

最后得到两部分回路的液体氧化剂的总流量w=w1+w2，与固液变推力发动机中的固体燃料反应，产生推力。

可选地，本发明实施例提供的控制器还包括测量模块，用于获取发动机实际推力和可调阀门的开度。可选地，测量模块，还用于对发动机推力、管路压力、电动泵转速、可调阀门的开度进行测量和计算。可选地，本发明实施例提供的控制器还用于根据固液变推力发动机的实际推力等测量结果，计算分配电动泵转速与阀门开度的控制量，并通过观测推力偏差进行反馈补偿对发动机推力进行实时精确控制。

由此可知，本发明实施例提供的一种基于双执行机构的固液变推力发动机控制器，通过双执行机构相互协调控制固液混合变推发动机，不仅使推力调节能力范围变大，从而使任务剖面变大，能适配多种飞行任务，并且使流量线性变化，从而使输出的推力线性变化，提高了***的稳定性。并且采用模糊控制来控制泵的功率变化，从而减少了泵功率变化次数，延长了泵的使用寿命。

实施例二：

图2是根据本发明实施例提供的一种基于双执行机构的固液变推力发动机控制方法的流程图，该方法应用于基于双执行机构的固液变推力发动机控制器；其中，控制器包括：电动泵控制回路和阀门控制回路。如图2所示，本发明实施例提供的方法具体包括如下步骤：

步骤S202，基于固液变推力发动机的期望推力和推力误差，确定电动泵的第一控制量，并基于第一控制量控制电动泵控制回路中的液体氧化剂流量为第一流量；推力误差为固液变推力发动机的实际推力与期望推力之间的误差。

可选地，基于预设模糊规则库，以期望推力和推力误差作为输入量，确定电动泵的第一控制量。

步骤S204，基于推力误差和可变文氏管的可调阀门的开度，确定可调阀门的第二控制量，并基于第二控制量控制阀门控制回路中的液体氧化剂流量为第二流量；其中，第一流量和第二流量之和为固液变推力发动机在期望推力下所需的液体氧化剂流量。

本发明提供了一种基于双执行机构的固液变推力发动机控制方法，通过双执行机构相互协调控制固液混合变推力发动机，能使推力调节能力范围变大，从而使任务剖面变大，能适配多种飞行任务，缓解了现有技术中存在的由于电动泵与可调阀门无法同时配合控制导致的变推力控制范围受限的技术问题。

可选地，阀门控制回路包括：PID控制器和可变文氏管；步骤S204还包括如下步骤：

步骤S2041，以推力误差作为PID控制器输入量，得到可变文氏管的初始控制量；

步骤S2042，将初始控制量与可调阀门的开度的差值，确定为第二控制量。

可选地，本发明实施例提供的方法还包括如下步骤：获取发动机实际推力和可调阀门的开度。

本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现本发明实施例提供的方法的步骤。

本发明实施例还提供了一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，程序代码使处理器执行本发明实施例提供的方法。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种基于双执行机构的固液变推力发动机控制器，其特征在于，包括：电动泵控制回路和阀门控制回路；

所述电动泵控制回路，用于基于固液变推力发动机的期望推力和推力误差，确定电动泵的第一控制量，并基于所述第一控制量控制所述电动泵控制回路中的液体氧化剂流量为第一流量；所述推力误差为所述固液变推力发动机的实际推力与所述期望推力之间的误差；

所述阀门控制回路，用于基于所述推力误差和可变文氏管的可调阀门的开度，确定所述可调阀门的第二控制量，并基于所述第二控制量控制所述阀门控制回路中的液体氧化剂流量为第二流量；其中，所述第一流量和所述第二流量之和为所述固液变推力发动机在所述期望推力下所需的液体氧化剂流量。

2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述电动泵控制回路包括：模糊PID控制器和电动泵；

所述模糊PID控制器，用于基于预设模糊规则库，以所述期望推力和所述推力误差作为输入量，确定所述电动泵的第一控制量；

所述电动泵，用于控制所述电动泵控制回路中的液体氧化剂流量。

3.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述阀门控制回路包括：PID控制器和可变文氏管；

所述PID控制器，用于以所述推力误差作为输入量，得到所述可变文氏管的初始控制量；

所述阀门控制回路，还用于将所述初始控制量与所述可调阀门的开度的差值作为所述第二控制量。

4.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，还包括测量模块，用于获取发动机实际推力和所述可调阀门的开度。

5.一种基于双执行机构的固液变推力发动机控制方法，其特征在于，应用于基于双执行机构的固液变推力发动机控制器；所述控制器包括：电动泵控制回路和阀门控制回路；所述方法包括：

基于固液变推力发动机的期望推力和推力误差，确定电动泵的第一控制量，并基于所述第一控制量控制所述电动泵控制回路中的液体氧化剂流量为第一流量；所述推力误差为所述固液变推力发动机的实际推力与所述期望推力之间的误差；

基于所述推力误差和可变文氏管的可调阀门的开度，确定所述可调阀门的第二控制量，并基于所述第二控制量控制所述阀门控制回路中的液体氧化剂流量为第二流量；其中，所述第一流量和所述第二流量之和为所述固液变推力发动机在所述期望推力下所需的液体氧化剂流量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，基于固液变推力发动机的期望推力和推力误差，确定电动泵的第一控制量，包括：

基于预设模糊规则库，以所述期望推力和所述推力误差作为输入量，确定所述电动泵的第一控制量。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述阀门控制回路包括：PID控制器和可变文氏管；基于所述推力误差和可变文氏管的可调阀门的开度，确定所述可调阀门的第二控制量，包括：

以所述推力误差作为所述PID控制器输入量，得到所述可变文氏管的初始控制量；

将所述初始控制量与所述可调阀门的开度的差值，确定为所述第二控制量。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：获取发动机实际推力和所述可调阀门的开度。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求5至8任一项所述的方法的步骤。

10.一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，其特征在于，所述程序代码使所述处理器执行所述权利要求5-8任一项所述方法。