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燃气流量可调的固体火箭冲压发动机控制方法研究

牛文玉  
【摘要】: 燃气流量调节是固体火箭冲压发动机的一项关键技术,燃气流量能否调节决定了固体火箭冲压发动机的性能好坏及能否安全工作。随着对固体火箭冲压发动机性能要求的不断提高,燃气流量调节成为国内国际研究的一个热点问题。本文围绕燃气流量可调的固体火箭发动机的燃气流量调节及发动机控制开展了相关研究工作。 首先,对气动针阀型燃气流量调节阀的结构进行了设计,并分析了该种燃气调节阀的调节特性。围绕燃气调节阀的基本结构给出了初步设计方法和设计结果;选取了燃气调节阀所用的密封材料及压力控制阀;利用数值模拟方法分析了燃气流量调节阀的调节特性,给出了燃气流量调节特性的参数化表达式。 其次,研究了燃气流量调节系统的建模及控制问题。建立了针阀型燃气流量调节系统的两种调节模式的动态模型;引入非线性测度对比分析了两种调节模式的特性,分析了燃气流量调节系统的变参数特性及负调特性,研究结果表明本文设计的燃气流量调节系统非线性较弱并且系统特性对推进剂等参数的摄动并不十分敏感;考虑到气动伺服系统具有较强的非线性及不确定性,引入PI反馈控制降低了非线性和不确定性的影响;为了实现燃气流量的稳定调节,对燃气流量调节系统的外回路进行了控制器设计;燃气流量调节系统具有摩擦力,为了降低摩擦力对燃气流量调节的影响,研究了基于自适应颤振的摩擦力补偿方法及基于准积分控制器的摩擦力补偿方法,通过仿真表明这两种方法对燃气流量调节系统均能很好地进行摩擦力补偿。 然后,对燃气流量调节系统进行了冷态及热态试验研究。为了进行燃气流量调节试验,搭建了燃气流量调节系统的冷态和热态试验台;进行了基于颤振的燃气调节阀的摩擦力补偿试验和气动伺服系统的控制试验;针对燃气调节系统的耗气量及沉积进行了热态试验,通过试验分析了降低调节阀耗气量的方法及调节阀结构及阀体所用材料对沉积的影响;并多次进行了燃气流量调节试验,试验表明气动针阀型燃气流量调节阀能够有效地调节燃气流量,燃气流量控制系统具有良好的性能,最大燃气流量调节比达到了4.36:1,燃气流量调节阀连续工作时间超过100秒。 最后,提出了燃气流量可调的固体火箭冲压发动机基本控制结构,研究了固体火箭冲压发动机的推力控制和进气道不起动保护控制。为了提高发动机的性能,提出固体火箭冲压发动机控制除了推力控制还应包括各种保护控制及控制回路的切换;建立了燃气流量可调的固体火箭冲压发动机动态模型,基于模型分析了固体火箭冲压发动机的变参数特性和负调特性;针对燃气流量负调使得固体火箭冲压发动机具有非最相位系统的特性,提出了基于频域信息融合的推力控制方法和进气道等裕度控制方法,分析了固体火箭冲压发动机进气道等裕度控制由于燃气流量负调带来的不同之处;最后提出固体火箭冲压发动机切换控制系统结构,分析推力控制回路和进气道不起动保护控制回路的切换过程及积分限幅对切换过程的影响。


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