姿控發(fā)動機試驗緩變參數(shù)數(shù)據(jù)修正方法

晏 卓，李志勛

(西安航天動力試驗技術(shù)研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

姿控發(fā)動機試驗緩變測試參數(shù)主要有壓力、推力、流量、溫度、電流等，其中發(fā)動機推力、室壓、入口壓力、推進劑流量、噴管喉部溫度、電磁閥電流等均是關(guān)鍵參數(shù)。受發(fā)動機試驗復(fù)雜測試環(huán)境的影響，某些測試參數(shù)有時出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，如零位漂移、線性偏差、奇異點等，直接影響到發(fā)動機關(guān)鍵性能指標(biāo)的準(zhǔn)確判斷。為此，需要對異常數(shù)據(jù)進行分析及修正，將測試環(huán)境及設(shè)備所帶來的影響因素降至最低，為型號研制提供真實可信的測試數(shù)據(jù)。

姿控發(fā)動機試驗所特有的高溫、高壓、(強)高沖擊、強腐蝕、強振動等環(huán)境特點，給試驗測試過程帶來諸多不利，如傳感器溫漂及力學(xué)特性變化、線纜絕緣下降、測量干擾、沖擊及振動影響等，有可能引起測試數(shù)據(jù)的異常變化。不同的測試異常數(shù)據(jù)，如何對其分析及修正，則要視具體情況采取相應(yīng)的修正方法。

本文結(jié)合異常測試數(shù)據(jù)案例，開展了對零位修正、差值修正、線性修正等數(shù)據(jù)修正方法應(yīng)用效果的研究，給出了不同數(shù)據(jù)修正方法的機理、應(yīng)用條件及效果，為異常數(shù)據(jù)的修正處理提供了一套完善的修正方法、案例參考及借鑒，實現(xiàn)了姿控發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)處理過程的合理化和規(guī)范化。

1 數(shù)據(jù)處理流程

姿控發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。試車準(zhǔn)備過程中需要開展傳感器現(xiàn)場校準(zhǔn)工作，減小測量系統(tǒng)誤差。受傳感器自身溫漂的影響，試車前測量通道零位可能出現(xiàn)偏差，需要對其進行試前零位的修正。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.1 Flow chart of data processing

熱試車過程中通常需要對測試數(shù)據(jù)進行快速處理分析，判斷測試數(shù)據(jù)是否正常。若存在異常測試數(shù)據(jù)，則應(yīng)查明異常原因，確定相應(yīng)的數(shù)據(jù)修正方法，目前緩變參數(shù)數(shù)據(jù)處理常用的數(shù)據(jù)修正方法有試前零位修正法、試后零位修正法、差值修正法、線性修正法、奇異點修正法及試后斜率修正法等。

在數(shù)據(jù)修正過程中，應(yīng)根據(jù)實際情況，對某一參數(shù)或多個參數(shù)同時進行數(shù)據(jù)修正，如何修正則要根據(jù)異常測試原因選擇合適的數(shù)據(jù)修正方法，可能采用某種單一的數(shù)據(jù)修正方法，也可能采用多種數(shù)據(jù)修正方法分別進行修正，其目的是使測試數(shù)據(jù)真實地反映發(fā)動機固有工作性能，為型號研制提供可靠的試驗數(shù)據(jù)信息。

2 數(shù)據(jù)處理方法簡介

姿控發(fā)動機試驗緩變參數(shù)數(shù)據(jù)處理工作主要涉及了測量平均值及過渡參數(shù)的計算，如發(fā)動機點火段的測量平均值、起動加速性t90、關(guān)機減速性t10等，其計算方法敘述如下。

2.1 測量平均值計算

在姿控發(fā)動機試驗中，試驗數(shù)據(jù)平均值的取值區(qū)間為點火工作段內(nèi)所有非異常瞬時數(shù)據(jù)的平均值。通常先要進行初步計算，再根據(jù)初算平均值計算標(biāo)準(zhǔn)偏差，利用取舍準(zhǔn)則排除異常值，重新計算平均值。

初算取樣區(qū)間平均值計算公式為

(1)

標(biāo)準(zhǔn)偏差計算公式為

(2)

式中S為各參數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

數(shù)據(jù)取舍準(zhǔn)則為

式中z?(n)為取舍準(zhǔn)則系數(shù)，當(dāng)n≥50時，z?(n)=3.13(GLB 2200-1994 液體火箭發(fā)動機通用規(guī)范)。

2.2 起動加速性t90計算

(3)

然后按(4)式，從開車信號對應(yīng)的瞬時值開始逐個查找x0對應(yīng)的點。若yi

(4)

2.3 關(guān)機減速性t10

根據(jù)2.1中的測量平均值，計算出發(fā)動機關(guān)機段減速性特征值x1，即壓力均值10%的對應(yīng)值：

(5)

從關(guān)機信號對應(yīng)的瞬時值開始逐個查找x1對應(yīng)的點。若yi>x1，則繼續(xù)查找；若yi≤x1，則

(6)

3 數(shù)據(jù)修正方法

3.1 數(shù)據(jù)修正原則

測試異常數(shù)據(jù)無論采用何種修正方法，均應(yīng)遵循如下原則：

1)及時修正：若存在異常測試情況，應(yīng)盡快查明原因，在不破壞試車測試狀態(tài)的情況下，對其進行及時修正；

2)合理修正：針對異常測試情況，確認符合修正條件，采取合適的數(shù)據(jù)修正方法對其修復(fù)；

3)準(zhǔn)確修正：對于一些復(fù)雜情況，單靠某種修正方法是很難有效的，需要采用多種方法分別修正，使其真實反映發(fā)動機工作特性；

4)不修正：在測量系統(tǒng)正常的情況下，對于一些原因不明確或無法驗證的情況下所出現(xiàn)的偏差較大的數(shù)據(jù)，一般不輕易對其修正，避免影響發(fā)動機的真實工作情況。

3.2 試前零位修正法

測量系統(tǒng)誤差通常在某一特定的范圍內(nèi)是相對固定且可控的，但傳感器測量通道零位變化卻是不可控制的，有時達到較嚴(yán)重的程度，嚴(yán)重影響了試車數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通常情況下影響測量零位變化的因素較多，如試車架、傳感器、測量線纜、測量設(shè)備等。試車前通過對整個試驗過程的實時監(jiān)測，結(jié)合零位狀態(tài)記錄數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)曲線變化趨勢，可確定引起測量零位變化的主要原因，然后采用試前零位修正法對其進行修正。

試前零位修正法是最基礎(chǔ)、運用最為廣泛的一種修正方法，常用于推力、壓力、電流參數(shù)，主要解決測量傳感器零位漂移引起的數(shù)據(jù)漂移的問題。試前零位的漂移量可能是正方向、也有可能是負方向，與真實值相比數(shù)據(jù)或大或小。

從歷次試車的零位漂移統(tǒng)計情況來看，溫漂變化是傳感器零位漂移的主要因素之一。對于此類情況，應(yīng)真實模擬試車工作環(huán)境并對傳感器進行現(xiàn)場校準(zhǔn)，即可確定傳感器隨環(huán)境溫度變化的關(guān)系，其標(biāo)定原理如下：

對線性測量系統(tǒng)、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采用最小二乘法擬合成校準(zhǔn)線。

y=a+bx

(7)

式中：y為校準(zhǔn)時加的標(biāo)準(zhǔn)值；x為測量系統(tǒng)輸出值；a為傳感器校驗截距；b為傳感器校驗斜率，MPa/mv。

校準(zhǔn)系數(shù)用下式求出：

(8)

(9)

(10)

除了溫度影響因素外，大氣壓環(huán)境對傳感器零位也有一定的影響。在開展高空模擬試車任務(wù)時，測量系統(tǒng)通常采用關(guān)艙前的零位值，它是在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下記錄的零位值。當(dāng)真空艙處于高真空狀態(tài)下，測量傳感器、試車架及系統(tǒng)管路等試驗設(shè)備因受環(huán)境壓力變化的影響，導(dǎo)致開車前參數(shù)零位出現(xiàn)偏差。試后數(shù)據(jù)處理時，為了將該類影響降至最低，一般取點火前(開車前0.5 s)數(shù)據(jù)u0的均值作為零位修正。壓力計算方法如下：

p=b(us-u0)+pH

(11)

式中：p為壓力零位值，MPa；us為試車過程采集的壓力數(shù)值，mv；u0為零位電壓輸出值，mv；pH為大氣壓強，MPa；b為校準(zhǔn)斜率，MPa/mv。

下面以某型號發(fā)動機試驗室壓測量參數(shù)為例說明該修正原理。

在某次試車過程中，由于室壓傳感器經(jīng)過多次脈沖程序試驗后，傳感器應(yīng)變片因溫度變化和多次沖擊發(fā)生形變，不能及時回到初始狀態(tài)，此時測量傳感器的零位輸出值已嚴(yán)重偏離正常值，需要對傳感器的零位數(shù)據(jù)進行必要的數(shù)據(jù)修正。

傳感器在經(jīng)過多次脈沖壓力的沖擊下，室壓參數(shù)零位物理量由原始的0.000 01 MPa變化為0.384 25 MPa，導(dǎo)致發(fā)動機工作段均值與真實狀態(tài)比較抬高了0.384 24 MPa壓力。通過試前零位修正方法，即可還原試車真實點火工作數(shù)值。試驗數(shù)據(jù)修正前后曲線對比見圖2。

圖2 室壓參數(shù)修正前、后的數(shù)據(jù)曲線Fig.2 Data curves of chamber pressure before and after data correction

3.3 試后零位修正法

影響傳感器零位變化的因素較多，應(yīng)結(jié)合實際情況，采取相應(yīng)方法對其進行修正。試后零位修正法也是一種廣泛應(yīng)用的修正方法，常用于推力參數(shù)、壓力、電流參數(shù)，該方法一般不會單獨用于試驗數(shù)據(jù)處理中。通常試驗數(shù)據(jù)在進行了試前零位修正后，若存在試后零位與試前零位偏差過大以及發(fā)動機試驗點火數(shù)據(jù)與實際理論計算值偏差過大的情況時，就需要采用試后零位修正法，可將試后1秒內(nèi)傳感器零位電壓值u0的均值作為零位值參與計算。

某發(fā)動機試驗過程中，受產(chǎn)品推力架的影響導(dǎo)致推力傳感器零位數(shù)據(jù)變化較大，推力零位數(shù)據(jù)隨試驗時間的延長而逐漸增大。針對這一情況，需要計算出每個點火工作段后推力參數(shù)零位的具體變化量，并對每一次點火過后的間歇段推力傳感器零位數(shù)據(jù)進行比較，然后結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計理論值對該程序點火過程中的推力瞬時數(shù)據(jù)進行試后修正，以反映發(fā)動機點火時段推力參數(shù)的真實狀態(tài)，試驗數(shù)據(jù)修正前后曲線對比見圖3。

圖3 推力參數(shù)修正前、后數(shù)據(jù)曲線Fig.3 Data curves of thrust parameters before and after data correction

由推力參數(shù)修正前、后數(shù)據(jù)曲線可知，推力參數(shù)經(jīng)過修正后，傳感器零位值相對穩(wěn)定，表明推力數(shù)據(jù)修正是有效的。

3.4 差值修正法

差值修正法常用于對熱試車發(fā)動機入口壓力、噴前壓力參數(shù)的修正，主要利用試驗系統(tǒng)中多路測量參數(shù)之間的固定壓力差值進行修正。目前，姿控發(fā)動機試驗在預(yù)研階段試車中通常會在介質(zhì)入口管路安裝傳感器，在熱調(diào)試過程中作為監(jiān)測點了解發(fā)動機內(nèi)部壓力狀態(tài)變化過程。發(fā)動機入口壓力位置環(huán)境溫度變化較大，傳感器輸出信號受溫度影響有較大的變化。由于管路壓降是一個固定數(shù)值，根據(jù)以往的試驗經(jīng)驗，取點火前0.5 s平均值，通過計算求出每次熱試車點火過程介質(zhì)箱壓與對應(yīng)管路介質(zhì)入口的壓力差值。由于第一次點火屬于冷起動，加之工作時間相對較短，默認第一次點火試驗箱壓和入口壓力數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信，以此為基礎(chǔ)計算后續(xù)每次點火相對第一次點火壓力差值來進行修正(忽略儲箱介質(zhì)液位變化引起的液柱壓力變化 )。其計算原理如下：

Ai=pii-pti

(12)

A1=pi1-pt1

(13)

Bi=Ai-A1

(14)

pici=pii-Bi

(15)

式中：i為點火序號；pii為第i次點火試驗入口壓力，MPa；pti為第i次點火試驗介質(zhì)箱壓力，MPa；A1為第一次點火前0.5 s入口壓力與箱壓的差值，MPa；Bi為第i次點火修正量，MPa；pici為第i次點火試驗入口壓力修正后數(shù)據(jù)。

以某次地面單機試驗介質(zhì)入口壓力參數(shù)為例進行說明，見圖4所示。通過對系統(tǒng)入口壓力的實時采集，介質(zhì)箱壓參數(shù)因受環(huán)境影響較小，試驗過程中數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，故以此作為基準(zhǔn)計算相對壓力差。通過計算結(jié)果可以對試驗系統(tǒng)中的固定壓力差有一個較準(zhǔn)確的值。本次試驗共進行了12次點火，以下僅以第12次與第1次進行數(shù)據(jù)比較，對系統(tǒng)管路入口壓力、介質(zhì)箱壓力參數(shù)進行修正，試驗數(shù)據(jù)修正前后曲線如下(△p為系統(tǒng)管路入口壓力與介質(zhì)箱壓力差值)。

圖4表明：由于試驗系統(tǒng)相對固定，系統(tǒng)壓力差為一個相對固定的數(shù)值，如果偏差過大必然存在傳感器數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象；經(jīng)修正后，每種工況條件下點火數(shù)據(jù)中管路系統(tǒng)壓力差近似等于一個固定值，消除了因為傳感器漂移帶來的測量數(shù)據(jù)誤差，確保了試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖4 壓力參數(shù)修正前后數(shù)據(jù)曲線Fig.4 Data curves of pressure parameters before and after data correction

3.5 線性修正法

線性修正法運用廣泛，適用于壓力、推力參數(shù)的修正。姿控發(fā)動機試驗過程脈沖次數(shù)多、工作時間長，溫度變化快對零位漂移的影響大。測量系統(tǒng)中的傳感器零位輸出受溫度影響因素復(fù)雜，很難得出傳感器輸出與溫度變化的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)環(huán)境溫度變化大于10 ℃時，傳感器輸出的變化量已經(jīng)影響到測量系統(tǒng)的精度。通過分析以往的測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)零位數(shù)據(jù)會隨著時間的延長而不斷增大，傳感器應(yīng)變片所處的溫度場不均勻、應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)會隨溫度發(fā)生變化，溫度引起測量線纜電阻變化及電橋應(yīng)變片電阻變化等都是傳感器輸出產(chǎn)生溫漂的原因。

試驗測試數(shù)據(jù)表明，發(fā)動機長時間連續(xù)工作或幾百次脈沖工作都會對傳感器零位漂移造成較大的影響。除了從試驗數(shù)據(jù)處理中找出一定規(guī)律性以外，還需要運用合理的數(shù)據(jù)處理方法對測量數(shù)據(jù)進行零位修正，在一定范圍內(nèi)有效減小傳感器零漂對試驗數(shù)據(jù)造成的測量誤差。

根據(jù)歷次熱試車特點和經(jīng)驗，一般經(jīng)過10 s以上的熱試車或者50個脈沖工作點火后，會不同程度地出現(xiàn)傳感器零漂現(xiàn)象。在發(fā)動機試驗緩變參數(shù)測量中，由于傳感器本身的動態(tài)性能和響應(yīng)速度具有一定的局限性，一般零漂以線性漂移來計算。因此，在修正過程中分別取起始段的零位p1(t1，p1)和關(guān)機段的零位p2(t2，p2)利用Origin工具擬合線性方程，求出傳感器線性漂移變化率b系數(shù)。在測量原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計算出根據(jù)時間累計得到的線性漂移量，隨后將不同時刻數(shù)據(jù)用與之相對應(yīng)的漂移量來進行修正。具體計算過程根據(jù)實際數(shù)據(jù)曲線可以采用單個斜率或者多個斜率進行分段修正，最終得出試驗數(shù)據(jù)及修正結(jié)果。這種針對發(fā)動機連續(xù)工作或幾百次脈沖工作數(shù)據(jù)進行的修正值對測量精度影響約為千分之一，效果比較理想。其計算原理如下：

p1=A+Bt1

(16)

p2=A+Bt2

(17)

式中：p1為起始段的零位值；t1為起始段的零位值對應(yīng)的時刻，s；p2為關(guān)機段的零位值；t2為關(guān)機段的零位值對應(yīng)的時刻，s；A為擬合截距；B為擬合斜率。

在瞬時數(shù)據(jù)中利用公式

pici=pi-(Time-t1)*B

(18)

式中：pi為壓力參數(shù)修正前第i個數(shù)據(jù)；Time為時間軸，s；pici為壓力參數(shù)修正后第i個數(shù)據(jù)；t1為起始段的零位壓強值對應(yīng)的時刻，s。

該方法在進行數(shù)據(jù)修正時默認試驗數(shù)據(jù)漂移量為線性變化。

圖5為某型號推力室室壓參數(shù)長程點火試驗數(shù)據(jù)修正前后曲線對比。

圖5 壓力參數(shù)修正前后數(shù)據(jù)曲線對比Fig.5 Data curves of pressure parameters before and after data correction

3.6 奇異點修正法

奇異點數(shù)據(jù)修正法主要用于流量、轉(zhuǎn)速參數(shù)的修正。流量和轉(zhuǎn)速參數(shù)為頻率量信號，易受外界測量干擾的影響，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)中出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)(奇異點)，使試驗結(jié)果與真實數(shù)據(jù)存在較大的偏差。對于試驗瞬時數(shù)據(jù)，異常數(shù)據(jù)通常是某個極大值或極小值。在第一步的預(yù)處理過程中，采用3.3中數(shù)據(jù)取舍準(zhǔn)則對其進行甩點處理，若仍有異常點(如下圖6)，則需要對傳感器進行重新標(biāo)定，確認傳感器工作正常，標(biāo)定結(jié)果無異常，確認測試數(shù)據(jù)存在干擾信號。此時，采用固定的程序設(shè)置將這些瞬時異常數(shù)據(jù)用該處理段的均值替代。

圖6為某次試驗點火過程中流量參數(shù)試驗數(shù)據(jù)修正前后曲線對比。

圖6 流量參數(shù)修正前后數(shù)據(jù)曲線Fig.6 Data curves of flow-rate parameters before and after data correction

3.7 試后斜率修正法

斜率修正法用于壓力、推力、流量等參數(shù)，在試車過程中，由于傳感器自身原因或外界因素引起傳感器輸出失常，使得試驗數(shù)據(jù)嚴(yán)重偏離正常值，無法提供正常試驗數(shù)據(jù)。此類情況需要在試驗結(jié)束后，重新對傳感器進行現(xiàn)場校準(zhǔn)，得出新的校驗系數(shù)，將其帶入數(shù)據(jù)處理程序，對原始試驗數(shù)據(jù)進行重新處理，以確保真實的試驗數(shù)據(jù)。

圖7為某次整機試驗氣瓶參數(shù)數(shù)據(jù)修正前與試驗結(jié)束重新標(biāo)校修正后曲線對比，修正后的氣瓶壓力數(shù)據(jù)比修正前相差2 MPa。

圖7 氣瓶參數(shù)修正前后數(shù)據(jù)曲線對比Fig.7 Data curves of air bottle parameters before and after data correction

4 修正方法的比較

上述數(shù)據(jù)修正方法的特點比較總結(jié)如表1所示。

在實際數(shù)據(jù)處理任務(wù)中，針對不同的異常測試數(shù)據(jù)，應(yīng)采取合理的數(shù)據(jù)修正方法，特殊情況下可能同時用到多種方法進行修正。另外還應(yīng)對不同試驗臺、同型號發(fā)動機的零位變化情況進行統(tǒng)計分析，總結(jié)相應(yīng)的規(guī)律及修正方法，以提高數(shù)據(jù)修正水平。

表1 數(shù)據(jù)修正法特點比較Tab.1 Comparison of characteristics of data correction methods

5 結(jié)論

本文所述的數(shù)據(jù)修正方法已在姿控發(fā)動機試車中多次應(yīng)用，解決了參數(shù)測試中異常數(shù)據(jù)的修正問題，取得了良好的應(yīng)用效果，確保了試驗數(shù)據(jù)的真實性和準(zhǔn)確性，為型號研制提供了有力的保障。在此基礎(chǔ)上，通過對多種數(shù)據(jù)修正方法的應(yīng)用研究，給出了數(shù)據(jù)修正方法的機理、應(yīng)用條件及效果，為姿控發(fā)動機試驗緩變數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域提供了一套完善的異常數(shù)據(jù)修正方法。

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