基于電磁自動(dòng)加載的姿控發(fā)動(dòng)機(jī)推力架標(biāo)定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張?zhí)炝?,姚 娜 ,王得志

(1.北京航天自動(dòng)控制研究所,北京 100854;2.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所,北京 100074)

1 引言

姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用在運(yùn)載火箭、衛(wèi)星等各類現(xiàn)代空間飛行器上,是不可缺少的動(dòng)力裝置,主要用于維持飛行器姿態(tài)穩(wěn)定和調(diào)整[1],是決定飛行器性能可靠的關(guān)鍵因素。姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的推力范圍一般為0.02～1 000 N。

姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的地面試驗(yàn)是其研制過程中不可缺少的工作環(huán)節(jié),其中推力是反映發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的關(guān)鍵指標(biāo),而對推力矢量的測試需要預(yù)先進(jìn)行系統(tǒng)精度評定工作,即推力矢量測試系統(tǒng)中傳感器的原位標(biāo)定。因傳感器安裝狀態(tài)、推進(jìn)劑供應(yīng)管路約束、現(xiàn)場環(huán)境溫度變化、真空環(huán)境等影響,傳感器出廠時(shí)的校準(zhǔn)系數(shù)不適用于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場測試使用,因此需要通過原位標(biāo)定對推力測試系統(tǒng)中的工作傳感器進(jìn)行標(biāo)定,以確定其實(shí)際性能特性,確保達(dá)到使用指標(biāo)[2]。同時(shí)為保證測試的精確性,在每次姿控發(fā)動(dòng)機(jī)推力測試之前,都需要對工作傳感器進(jìn)行一次對應(yīng)實(shí)際工作狀態(tài)下的原位標(biāo)定[3]。

原位標(biāo)定系統(tǒng)分為單向力標(biāo)定系統(tǒng)和多維力標(biāo)定系統(tǒng)[4],在姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的一般應(yīng)用中,由于發(fā)動(dòng)機(jī)只產(chǎn)生恒定的軸向主推力,所以只需對發(fā)動(dòng)機(jī)軸向主推力進(jìn)行測量,其測試系統(tǒng)的標(biāo)定也屬于單向力標(biāo)定。國防科技大學(xué)劉偉亮等人對推力測試平臺進(jìn)行標(biāo)定時(shí),用氣缸作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生拉力,模擬發(fā)動(dòng)機(jī)軸向推力[5]。該標(biāo)定試驗(yàn)架剛性好,但由于測力平面與發(fā)動(dòng)機(jī)幾何軸線不同軸,導(dǎo)致標(biāo)定時(shí)會產(chǎn)生附加扭矩,影響測量準(zhǔn)確度。劉硯濤等人設(shè)計(jì)的六維力試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)呈輪輻式,傳感器具有良好的自解耦性,但結(jié)構(gòu)精度和動(dòng)態(tài)性能難以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量測試的需求[6]。

目前工程中常用的原位標(biāo)定試驗(yàn)架分為柔性試驗(yàn)架和非柔性試驗(yàn)架[7]兩種,柔性試驗(yàn)架的動(dòng)架與定架之間多采用板簧連接,其軸向靜態(tài)精度通常高于非柔性試驗(yàn)架,因此在高精度測量中常采用柔性試驗(yàn)架,但仍會因板簧結(jié)構(gòu)試驗(yàn)架軸向上的彈阻力等原因,使得難以進(jìn)一步提高推力測量準(zhǔn)確度。同時(shí)在原位標(biāo)定時(shí),常采用懸掛砝碼或電機(jī)絲杠的方式模擬發(fā)動(dòng)機(jī)推力進(jìn)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(dǎo)致工作效率低;而電機(jī)加載可重復(fù)性和推力分辨精度較低;因此提升加載力穩(wěn)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(dòng)加載的發(fā)動(dòng)機(jī)推力模擬標(biāo)定技術(shù),并將電磁加載技術(shù)應(yīng)用于磁懸浮推力試驗(yàn)架。磁懸浮推力試驗(yàn)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(yàn)架給推力測量帶來的誤差,有效提高了主推力測量準(zhǔn)確度。同時(shí)通過計(jì)算機(jī)控制加載電磁力實(shí)現(xiàn)多回程自動(dòng)加載,提高原位標(biāo)定的校準(zhǔn)準(zhǔn)確度、效率以及穩(wěn)定性,提升了標(biāo)定工作的自動(dòng)化程度并降低人工操作誤差。

2 標(biāo)定原理

2.1 標(biāo)定試驗(yàn)架

標(biāo)定試驗(yàn)架用于完成對工作傳感器的原位標(biāo)定工作。其基本原理是:用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制校準(zhǔn)組件中的電磁鐵產(chǎn)生變化的作用力,模擬發(fā)動(dòng)機(jī)推力作用在傳感器上,通過標(biāo)準(zhǔn)傳感器的輸出對工作傳感器的輸出進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定:將高精度測力傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器,被校力傳感器為工作傳感器,兩傳感器串聯(lián),以標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的輸出作為標(biāo)準(zhǔn)力值,采用比對法對工作傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。標(biāo)定試驗(yàn)架主要由定架、動(dòng)架、測力組件、標(biāo)定設(shè)備、校準(zhǔn)組件等組成。定架主要包括:磁懸浮軸承座、預(yù)緊力加載裝置、承力墩、定架平臺等;動(dòng)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(biāo)定試驗(yàn)架結(jié)構(gòu)Fig.1 Calibration test frame structure

標(biāo)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(wěn)定在設(shè)定的間隙處,同時(shí)帶動(dòng)動(dòng)架上的傳力框以及標(biāo)準(zhǔn)傳感器和測力傳感器懸浮于空中。設(shè)軸線方向?yàn)閦軸,發(fā)動(dòng)機(jī)在軸線方向上產(chǎn)生的主推力為Fz,同時(shí)會產(chǎn)生側(cè)向力ΔFx和ΔFy,控制磁懸浮系統(tǒng)產(chǎn)生電磁力增量抵消側(cè)向力,使除z軸方向自由外,其余方向保持原位不變,保證穩(wěn)態(tài)時(shí)作用在測力傳感器上的力Fwork就只有發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的軸向主推力,即

此時(shí)懸浮軸在軸線方向與承力墩單點(diǎn)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(jié)構(gòu)對測力過程的影響,測力準(zhǔn)確度只取決于測力傳感器的測量準(zhǔn)確度,有效降低了測量誤差。

2.2 校準(zhǔn)組件

校準(zhǔn)組件實(shí)現(xiàn)對測力傳感器標(biāo)定,標(biāo)定過程需要對標(biāo)準(zhǔn)傳感器和測力傳感器進(jìn)行獨(dú)立加載,通過軸向加載電磁鐵給標(biāo)準(zhǔn)傳感器實(shí)現(xiàn)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(dá)式[9]為

式中:B——磁感應(yīng)強(qiáng)度;S——電磁鐵面積;μ0——真空磁導(dǎo)率,μ0=4π×10-7。

若磁路未達(dá)到飽和,B可按公式(3)計(jì)算。

式中:N——電磁鐵中線圈匝數(shù);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(zhǔn)所需的動(dòng)態(tài)標(biāo)定加載力[10]。

校準(zhǔn)組件由電磁鐵、加載盤、標(biāo)定拉桿、標(biāo)定橫梁、校準(zhǔn)傳感器等組成,其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。原位校準(zhǔn)過程首先控制電磁鐵產(chǎn)生一定的磁力,作用在加載盤上,使其產(chǎn)生向右的位移。加載盤產(chǎn)生位移的同時(shí)帶動(dòng)標(biāo)定拉桿,從而帶動(dòng)標(biāo)定橫梁上的傳壓塊給予校準(zhǔn)傳感器壓力,隨后根據(jù)其反饋的信號,參照計(jì)量證書的結(jié)果對測力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)傳感器和測力傳感器的分離,原位校準(zhǔn)過程結(jié)束。在進(jìn)行姿控發(fā)動(dòng)機(jī)推力測試時(shí),只有測力傳感器受力,標(biāo)準(zhǔn)傳感器處于空載狀態(tài),無需改變測試環(huán)境,保證了傳感器校準(zhǔn)工作和推力測試工作中力值傳遞的一致性。

圖2 推力標(biāo)定校準(zhǔn)組件局部示意圖Fig.2 Partial schematic diagram of thrust calibration calibration components

3 校準(zhǔn)系統(tǒng)及性能仿真

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

原位標(biāo)定過程通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制完成,能夠?qū)崿F(xiàn)多回程的靜態(tài)標(biāo)定,并自動(dòng)輸出標(biāo)定系數(shù)和精度,如圖3 所示,在標(biāo)定過程中,加載電磁鐵給標(biāo)準(zhǔn)傳感器提供加載力,電橋及顯示模塊測量標(biāo)準(zhǔn)傳感器的輸出;同時(shí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)給用戶測試系統(tǒng)發(fā)送觸發(fā)信號,測試系統(tǒng)接收到該觸發(fā)信號后采樣測量傳感器的輸出,并按照該時(shí)刻電橋及顯示模塊的顯示輸出進(jìn)行標(biāo)定;隨后計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸出控制信號,經(jīng)功率放大器驅(qū)動(dòng)電磁鐵線圈改變軸向加載力,實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的多回程自動(dòng)標(biāo)定。

圖3 自動(dòng)加載和標(biāo)定系統(tǒng)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(chǎn)生變化,非恒定的電磁力會影響標(biāo)定準(zhǔn)確度,因此進(jìn)行電磁加載力的閉環(huán)反饋控制,將標(biāo)定傳感器的輸出信號與加載電磁力指令比較后,對誤差進(jìn)行PI 負(fù)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(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),通過負(fù)反饋控制穩(wěn)定加載時(shí)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(shí)產(chǎn)生較大沖擊力,設(shè)計(jì)了輸出切換模塊:首先控制器通過開環(huán)控制輸出一個(gè)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(wěn)定。在標(biāo)定過程結(jié)束后,將控制器再次切換為開環(huán)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(huán)控制階段,階段Ⅱ?yàn)镻I 閉環(huán)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(diào)節(jié)時(shí)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(dòng)加載的仿真流程按照原位校準(zhǔn)試驗(yàn)的實(shí)際流程,對原位校準(zhǔn)組件進(jìn)行模擬加載。自動(dòng)標(biāo)定的仿真分為三個(gè)階段:

(1)電磁鐵通電后逐步增大其電流,當(dāng)電磁力大于分離彈簧的彈力后,加載盤向右移動(dòng)消除標(biāo)準(zhǔn)傳感器和加載橫梁的初始間隙,實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的預(yù)緊工作;

(2)在單個(gè)回程的校準(zhǔn)過程中,電磁鐵在控制信號的作用下按照500 N 的步長給標(biāo)準(zhǔn)傳感器自動(dòng)加載,每個(gè)工作步長持續(xù)5 s。當(dāng)電磁力加載到2 500 N后再按照500 N 的步長進(jìn)行卸載,最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)回程的標(biāo)定;重復(fù)上述自動(dòng)加載和卸載的過程以完成多回程自動(dòng)校準(zhǔn)工作。

(3)在完成多回程的校準(zhǔn)后,逐步減小電磁鐵電流,當(dāng)電磁鐵產(chǎn)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(dòng),并帶動(dòng)加載橫梁也向左移動(dòng),實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)傳感器和加載裝置的分離。

同時(shí),加載過程中為保證電流功放輸出不超過實(shí)際加載線圈的允許載流范圍,對控制器進(jìn)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。控制器參數(shù)選擇如表1 所示。

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

仿真過程中,標(biāo)準(zhǔn)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(lián)后的剛度為6.25 ×106N/m。仿真結(jié)果如圖6 和圖7 所示。

圖6 單回程原位校準(zhǔn)電磁加載力和標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)加載盤的位移Fig.7 Single-pass in-situ calibration of displacement of loading plate

通過仿真結(jié)果可以看出,標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出與電磁力加載參考標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值重合,標(biāo)準(zhǔn)傳感器與電磁加載力的差值是由彈簧預(yù)緊力引起的。整個(gè)標(biāo)定過程中自動(dòng)加載的電磁力穩(wěn)定可控,能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器的高精度標(biāo)定。各工作階段狀態(tài)切換平穩(wěn),標(biāo)定結(jié)束后也可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行的,實(shí)際工作中可根據(jù)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)實(shí)際需求,改變量程和步長。

4 標(biāo)定試驗(yàn)

試驗(yàn)選用標(biāo)準(zhǔn)傳感器(1 110 GHI-2.5 kN),對工作傳感器(1 210 GHI-2.5 kN)進(jìn)行原位標(biāo)定,標(biāo)定過程設(shè)定5 個(gè)載荷梯度,分別進(jìn)行3 次循環(huán)。多回程自動(dòng)標(biāo)定的輸出結(jié)果如表2 所示。

表2 推力標(biāo)定進(jìn)回程電壓輸出數(shù)據(jù)Tab.2 Thrust calibration input return voltage output data

根據(jù)上表3 擬合姿控發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)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(biāo)定數(shù)據(jù)擬合曲線Fig.8 Thrust calibration data fitting curve

分析表3 數(shù)據(jù),計(jì)算得出:線性偏差ΔθL=0.01%,滯后偏差ΔθH=0.06%,重復(fù)偏差ΔθR=0.02%,根據(jù)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(fā)動(dòng)機(jī)測量工作要求。

5 結(jié)束語

針對磁懸浮推力測量架,完成了姿控發(fā)動(dòng)機(jī)推力模擬電磁加載標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。標(biāo)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(diǎn)接觸,消除了支撐結(jié)構(gòu)對測力過程的影響,有效降低了測量誤差,提升推力標(biāo)定的準(zhǔn)確度。

采用電磁自動(dòng)加載技術(shù)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)推力,仿真結(jié)果表明加載的電磁力值穩(wěn)定可控、各工作階段狀態(tài)切換平穩(wěn),有效提高了自動(dòng)化水平、降低了人為操作誤差,提高了標(biāo)定的效率。

靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果顯示,標(biāo)定系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)力傳感器多回程的高精度標(biāo)定,充分驗(yàn)證了此系統(tǒng)功能及控制準(zhǔn)確度均滿足姿控發(fā)動(dòng)機(jī)推力測試工作要求。