卫星推进自适应流量闭环调节技术

朱一骁，杨俊，楼超超

(1.上海空间推进研究所，上海 201112；2.上海空间发动机工程技术研究中心，上海 201112)

0 引言

双组元推进系统是航天器主要推进系统之一。根据卫星总体布局要求，部分双组元推进系统采用四贮箱平铺布局设计，4只贮箱两两并联，分别贮存和供应氧化剂及燃料[1]。在航天器工作过程中，由于各贮箱支路贮箱流阻、管路流阻和阀门流阻等差异[2]，导致并联贮箱的排放不均衡，贮箱内推进剂剩余量不同，航天器飞行过程中质心产生偏移[3-4]，并因此降低航天器姿控系统控制裕度[5]。目前，大量研究工作围绕并联贮箱推进剂均衡排放的问题展开，主要通过配平流阻或者设置气体旁路来实现。前者是在系统交付前进行地面试验，通过在贮箱出口设置不同的孔板进行流阻配平来实现；后者是设置气体旁路，通过压力将推进剂从剩余量较多的贮箱挤压到较少的贮箱来实现。然而，两种方案的不足在于：流阻配平的方法对地面试验和仿真精度的要求较高[6-8]；气体旁路的方法需要设置有气体旁路，系统复杂度高、系统质量大、硬件成本高[9]。

针对目前液体火箭发动机推进系统中并联贮箱不均衡排放的问题，本文提出一种并联贮箱均衡排放的自适应闭环调节系统。该系统采用流量计实现并联贮箱下游流量的动态化实时采集，可编程控制器(PLC)通过流量比对控制比例电磁阀开度，实现自适应闭环调节。

1 系统组成

1.1 试验系统

本文的试验系统如图1所示，主要由贮箱、加注/排放模块以及闭环调节模块组成。需要指出的是，在本文中使用20L钛合金球形气瓶作为贮箱进行试验，采用去离子水作为模拟液。贮箱TKA(TKB)的上端为气口，接外部气源；贮箱的下端为液口，接排放管路。图2为气瓶的实物图，表1所示为气瓶的具体参数。

图1 自适应闭环调节系统试验系统图

图2 贮箱实物图

表1 20L钛合金球形气瓶参数

a)加注/排放模块

加注/排放模块主要由针阀ZV1、球阀SV1～6、压力传感器PT1-3、压差计、流量计MS1以及过滤器F1/F2组成。其中，球阀SV1-4、过滤器F1以及压力传感器PT1/PT2用于实现贮箱充气和放气，球阀SV5/SV6、针阀ZV1、过滤器F2以及流量计用于实现贮箱加注和排放。图3为加注/排放模块集成化后的实物图。

图3 加注/排放模块实物图

b)闭环调节模块

闭环调节模块主要由比例电磁阀BV1(BV2)、流量计CS1(CS2)以及可编程控制器组成。图4为调节系统的结构原理图。闭环调节模块的工作步骤如下：PLC设备自检后，PLC输出电流使电磁阀打开，流量计将流量数据通过PLC输入端反馈进PLC，PLC将反馈值与目标值求差，当差值在精度范围以外时，PLC输出电流，从而调节比例电磁阀开度使反馈值满足条件；当差值在精度范围以内时，保持比例电磁阀开度，完成并联贮箱自适应流量闭环调节。

图4 自适应闭环调节系统结构原理图

1)比例电磁阀

比例电磁阀主要由铁芯、壳体、线圈等组成，铁芯的位置取决于电信号的强度，通过改变铁芯的位置，可以改变阀口的流通面积，从而实现对出口流量的调节[10]。

2)可编程控制器

可编程控制器，简称PLC，可以实现复杂运动控制、过程控制和集散控制。PLC作为闭环调节系统的硬件核心，需要配备A/D模块和D/A模块，A/D模块实时采集流量计的模拟信号，D/A模块输出稳定的电流控制比例电磁阀。本文所选用的欧姆龙CP1H-XA40DT-D型可编程控制器内置4个A/D输入端口，可选择电流或电压输入信号；2个D/A输出端口，可选择电流或电压输出信号。

1.2 试验方案

并联贮箱自适应闭环调节系统的重点在于调节的准确性和时效性。因此，本文的试验方案主要针对这两点制定，其中参数主要包括目标流量(35 g/s～55 g/s)和输出电流(0.1 mA/s～0.2 mA/s)。初始条件下，A路的目标流量为35 g/s，输出电流为0.1 mA。测量精度全程控制在±1%。

2 试验结果及分析

图5为A路的流量随时间变化的曲线图。从图中可以看出，随着时间的增加，流量先单调上升，这主要是由于PLC持续输出+0.1 mA的脉冲信号，使比例电磁阀开度不断增加；当流量达到目标值附近的时候，流量曲线在y=35 g/s的附近上下波动，这是由于PLC通过输出±0.1 mA的脉冲信号，使比例电磁阀的开度增加或减小，从而使流量±1%附近变化。

图5 流量随时间变化曲线

如图6所示为测量值与目标值的差值(简称“差值”)随时间变化的曲线。从图中可以看出，当t=9 s时，差值已经满足精度要求。但是由于PLC响应迟滞的问题，导致PLC多输出了0.1 mA的电量，使得差值超出精度范围，随后PLC输出-0.1 mA的电量使差值重新回到精度范围内，并随后重复调节循环。在此基础上，下文围绕不同目标流量和输出电流对调节时间的影响展开研究。

图6 差值随时间变化曲线

图7为不同目标流量时的流量变化曲线图。从图中可以看出，随着目标流量的增加，达到平衡所需的时间随之增加。这主要是由于PLC需要持续输出更长的时间来使比例电磁阀达到合适的开度。图8为不同PLC输出电流时的流量变化曲线图。从图中可以看出，随着输出电流的增加，达到平衡所需的时间随之减少。这主要是由于使比例电磁阀达到相同开度时，单次输出电流的增加会使PLC所需持续输出的时间减少。

图7 不同目标流量的曲线图

图8 不同输出电流的曲线图

3 结语

本文设计了一种基于并联贮箱均衡排放的自适应流量闭环调节系统，并在此基础上完成了验证性试验，验证了调节及控制方法的可行性，并得到了流量随时间变化曲线、不同目标流量对调节时间的影响和不同输出电流对调节时间的影响。对试验结果进行进一步分析，同时结合地面调节试验的过程中遇到的问题，本文提出以下改进方案：

a)本文的试验为第一阶段试验，主要是摸索调节及控制方法可行性，并针对初始调节策略中的问题加以改进。因此仅针对A支路进行流量调节，A/B双路并联均衡排放将在完善调节策略后的第二阶段试验中展开；

b)在初始调节策略中，比例电磁阀均从相同开度进行流量调节，这在工程实际应用中不具备可行性。通过进一步分析试验结果，图5(流量随时间变化曲线)表明：流量与调节电流存在固定的变化曲线；图7(不同目标流量对总时间的影响)表明：不同目标流量不能采用相同的调节方案；图8(不同输出电流对调节时间的影响)表明：通过改变输出电流，可以得到不同的调节方案。因此，调节策略的改进方案如下：1)增加比例电磁阀标定试验，得到流量与调节电流的曲线以及精度与输出电流的曲线，用于改善PLC调节模式；2)对PLC控制程序进行改善，增加不同的调节模式，举例如下：当目标流量为55 g/s时，PLC通过计算初始流量(假设为25 g/s)时的对应调节电流与目标流量调节电流的差值(假设为-3.6 mA)，先进行大流量调节(输出电流为1 mA/s)，随后进行小流量调节(输出电流为0.2 mA/s)，并结合精度要求，判断最后的输出电流(0.2 mA/s或更低)。通过结合不同工况要求采用不同的调节模式，将大幅缩减调节时间，从而满足工程应用需求。