燃气直接力控制试验系统设计与运动研究

牟蓬涛 宋满存 梁 赞 杨绪钊 付春雨

燃气直接力控制试验系统设计与运动研究

牟蓬涛 宋满存 梁 赞 杨绪钊 付春雨

（北京精密机电控制设备研究所，北京 100076）

设计了一种侧向小型多燃气喷管直接力控制试验系统。结构上兼顾了喷管的多数量均布性，并具有很强的协调性；同时既可以在系统上直接进行喷管力学特性的测试，又可以开展控制算法验证的运动研究试验，解决了直接力控制系统的设计、测试与验证的关键技术，在直接力控制系统设计方面具有创造性和前沿性。

侧向小型多燃气喷管；直接力控制试验系统；运动研究

1 引言

直接力控制是指通过在结构主体侧向安装喷流发动机并通过其工作时产生的直接推力改变主体的轨迹或姿态的一种控制方法，适合应用于航空、航天器上，具有无需环境介质、响应速度快、过载能力强等优势[1，2]。

相对于冷气直接力，燃气方案具有比冲大、结构小巧、系统简单等优点，虽然对材料特性要求更高且单个喷管无法重复工作，但若进行小型喷管设计以及多喷管布置，仍可组合实现精确而复杂的控制效果[3，4]。

侧向小型多喷管直接力控制系统的关键技术主要有：喷管力学特性测试、结构主体设计与喷管布置、控制算法设计与验证[5]。其中喷管力学特性通常由喷管生产厂家在特定台架上进行测试，精确性可以保证，但无法反应出其安装到主体上之后的耦合力学特性；主体设计与喷管布置可通过结构设计软件进行，需兼顾结构协调性和喷管多布性；控制算法设计与验证则多通过仿真软件进行，难以真实验证侧向小型多喷管直接力控制系统在主体轨迹控制中的能力[6]。

直接力控制的核心包括直接力执行机构结构设计、动力研究以及控制算法研究，为此，设计了直接力控制试验系统。本系统通过力传感器对安装于结构主体上的喷管进行力的特性测试以及通过控制算法对主体进行轨迹控制，主要用于直接力单喷管推力测试、多喷管控制测试、直接力动力学研究、直接力控制方法研究、直接力控制效果演示等功能。

2 直接力控制试验系统原理

本试验系统由试验台主体和测控系统两部分组成。试验台主体由结构主体、喷管、底座、力传感器等组成，测控系统通过将控制器与压力传感器和动力系统相连，实现对试验系统的数据采集与控制。试验系统工作原理如图1所示。

图1 直接力控制试验系统原理图

本试验系统可以在两种模式下工作，模式1是通过力传感器将结构主体固定在试验台固定台面上，可以控制喷管工作并采集喷力数值；模式2是取消力传感器，结构主体固定在可移动的底座上，通过控制器和无线模块控制结构主体上的喷管，控制结构主体的移动。直接力控制系统的两种工作模式如图2所示。

图2 直接力试验系统两种工作模式

当试验系统处于图2a状态时，燃气发生器喷管被点燃，其作用力作用于结构主体上，主体与力传感器相连，通过力传感器即可测得喷管在平面任意方向的力，为提高测量精度需减小结构主体与固定台面的摩擦力。为此，主体下面装有钢珠，与光滑的固定台面接触，固定台面做成圆柱形凹槽，凹槽内放有润滑油。直接力方式采用燃气发生器，主体每周均布6个喷管，布置3排，每排喷管错开20°，从而节省主体空间并增加控制分辨率。

当试验系统处于图2b状态时，控制器通过无线模块控制喷管的点火时序，从而控制主体沿一定轨迹移动达到目标位置，直观地演示出直接力控制的机动性，同时验证控制算法的有效性。

3 直接力控制试验系统设计

表1 直接力控制试验系统配套表

直接力控制试验系统主要元件及功能指标见表1。

图3 直接力试验系统主体三维结构图

图3所示为直接力试验系统主体三维结构图，图3a为其工作模式1，结构主体直径为250mm，外侧铣出平台，以保证喷管安装时对中度。喷管通过法兰链接到主体铣出的平台上。主体与托盘焊接而成，托盘与底座通过螺栓连接，便于工作模式1和工作模式2之间的切换，工作模式1和工作模式2所使用底盘基本采用一致的形式，具有一定的互换性。力传感器通过铰链分别与连接块1和2连接。

设计的直接力控制试验系统，采用了中空设计，既降低了系统重量以提升喷管控制能力，也便于喷管安装以及增加布置其它功能模块，具有结构设计的协调性，并可实现喷管力学特性以及轨迹控制算法的在线测试与验证。本设计可以根据控制试验要求在系统中搭配硬件及配套软件，方便地满足喷管力学特性测试或主体运动学控制测试等要求，实现了一种多功能、高精度的侧向小型多燃气喷管直接力控制试验系统的开发。

4 运动研究

4.1 工作模式1力学研究

电动工作模式1试验中，控制试验系统的接线图如图4所示。

图4 直接力控制系统接线原理图

试验中，设置好测控系统工作，并通过一个电高平激发，喷管工作，采集记录力学传感器1和2的电压数据。采集频率约为1kHz，最终通过两路信号的受力分析和矢量计算，可解析中喷管工作时的力学特性曲线。

试验中采集时长约为42s，数据点量超过40000。通过截取其中有效的工作时间数据，并根据力传感器的力/电压特性（25kN/2.5V），解析得到两个力传感器测试的力学数据，如图5所示。

图5 两路力学传感器采集数据图

通过矢量运算，求得喷管力学特性（即合）的曲线如图6所示。

图6 喷管力学特性曲线

从喷管力学特性曲线来看：喷管力存在两个峰值，第1峰值约30ms，第2峰值约15ms，中间间隔约30ms，即总工作时间约75ms。喷管力的第1峰值约4kN，第2峰值约1.45kN。通过微积分计算，喷管的总冲约65N·s，其中两个峰值的冲量分别为50N·s和15N·s，即仅第1峰值部分便满足总冲要求。

4.2 工作模式2运动研究

首先完成系统搭建，按照运动控制试验的要求完成系统安装与接线。其次进行系统初始化，将系统基本参数如喷管力学特性数据、系统重量、试验摩擦特性等输入到控制器中。再次设定目标范围，目标抵达式控制即是给定最终抵达的目标点及其允许误差范围，并输入到控制器中。从喷管数=1开始进行求解，首先与系统允许使用的最大喷管数（≤18）进行比较，当＞时，如果系统无解则退出；当＜且有解时，系统得解，执行程序，控制器通过继电器使相应燃气喷管工作，验证控制效果；当＜但无解时，+1并返回重新循环求解，系统控制算法框图如图7所示。

图7 控制系统算法框图

进行了两组运动试验，出于系统安全考虑，每组试验仅安装且点燃一个喷管，并驱动直接力系统直线方向运行。试验中在轮子底部铺垫光滑铁板，以减少摩擦与磨损。

试验结果如下：

a. 点燃上排（共上中下三排）喷管，直接力系统最终运行了2.05m，系统存在一定的倾覆倾向，务必将轮子与结构主体粘贴牢固。

b. 点燃下排喷管，直接力系统最终运行了1.77m。可近似平均认为直接力系统可运行的位移为1.9m。

由于喷管的工作时间很短，可以近似将直接力系统的运动形式简化为“具有初速度的匀减速直线运动”。

设系统质量为，摩擦系数为，初速度为，加（减）速度为=，运行位移为，根据以上数据与分析，系统应满足以下两个关系式：

65=（1）

2×1.9=2 （2）

实际上，（可用秤）与（可用拉力表）是简单可测的，因此可以求解得到初速度，以及相互验证数据的有效性。

通过计算目标值，可以得出最优的喷管启动顺序和最少启动个数，到达目标区域。针对连续目标值，可通过控制算法，在达到目标值1后进行自我定位和位置校正，在剩余的喷管中给出最优解，实现连续机动、随机轨迹控制。

5 结束语

侧向小型多燃气喷管直接力控制试验系统空间小、重量轻、推力大，具有更强的机动能力和更快的响应速度，增快结构主体调节机动性，迅速跟踪指令，通过直接推力来改变结构主体的轨迹或姿态，在航空、航天器等技术研究领域具有很大的应用市场和发展潜力。

本文阐释了侧向小型多燃气喷管试验系统设计和运动研究，对直接力控制系统进行设计、测试与验证，并介绍了运动试验的步骤和方法，对直接力控制系统的进一步研究具有借鉴作用。

1 Amato F, Ambrosino G, Filippone E, et al. Attitude control of a smallconventional launcher[C]. Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Control Applications. Glasgow, 2002

2 王宇航，马克茂. 直接力与气动力复合控制系统姿态稳定问题研究[J]. 宇航学报，2007，28(4)：840～844

3 万自明. 防空防天导弹精确控制技术及其研究需求综述[J]. 现代防御技术，2004，32(2)：36～41

4 徐品高. 新一代防空导弹提高制导控制精度的需求与技术途经系统设计[J]. 战术导弹技术，2002(3)：1～8

5 孙平，刘昆. 基于侧喷流直接力技术的运载器姿态控制方法[J]. 导弹与航天运载，2009(1)：20～23

6 Das R K, Sen S, Dasgupta S. Fault tolerant controller for attitude control of satellite launch vehicle via LMI approach[C]. IEEE India Annual Conference. Indicon, 2004: 304～309

Design and Motion Research of Gas Direct Force Control Test System

Mou Pengtao Song Mancun Liang Zan Yang Xuzhao Fu Chunyu

(Beijing Research Insitute of Precise Mechanical and Electronic Control Equipment, Beijing 100076)

This paper have designed a lateral small multi-gas nozzle direct force control test system. The structure takes into account the multi-quantity uniformity of the nozzle and has strong coordination; at the same time, the mechanical properties of the nozzle can be directly tested on the system; and the motion research test can be carried out by the control algorithm verification.This design solves the key technologies of design, test and verification of direct force control systems, and is creative and cutting-edge in the design of direct force control systems.

lateral small multi-gas nozzle；direct force control test system；sports research

牟蓬涛（1989），工程师，控制科学与工程专业；研究方向：航天伺服系统控制、电力电子与电气传动研究。

2019-07-02