一种基于溢流阀的POGO主动抑制方法及系统与流程

一种基于溢流阀的pogo主动抑制方法及系统
技术领域
1.本发明属于液体运载火箭总体设计领域，主要涉及到液体运载火箭pogo和压力脉动抑制。


背景技术：

2.液体运载火箭在飞行过程中，结构系统和推进系统之间的相互作用，可能使液体火箭产生不稳定的纵向振动，由于其振动形态与“踩高跷”相类似，命名为pogo振动。pogo是影响运载火箭飞行可靠性甚至飞行成败的重大问题之一，因此抑制甚至消除pogo振动已成为当今液体运载火箭设计过程中的关键技术，也是载人宇航飞行的重要前提条件之一。
3.目前工程上主要通过在泵前安装蓄压器来抑制pogo振动，蓄压器内的气腔被动地感知输送系统中的脉动压力，气腔被动的收缩或扩张，从而达到衰减推进系统中液压脉动目的。但这种方法主要存在以下不足：
4.1.难于适应大型运载火箭可能存在的多阶pogo不稳定问题。膜盒式蓄压器对于结构一阶pogo不稳定的抑制效果较为明显，但难以抑制高阶的pogo振动。
5.2.对于大型运载火箭的低温推进系统，蓄压器体积要做得很大才能满足pogo抑制的需求，难以适应布局日益紧凑的管路系统。
6.3.我国运载火箭常用的金属膜盒的膜片很薄，膜片之间焊接成形，大型金属模型的焊缝很长，工作过程中容易出现疲劳损坏，可靠性较低。
7.4.国外运载火箭常用的注气式蓄压器，由于气腔与液体无隔离装置，火箭飞行过程中存在气体涌入输送管的风险，可能影响发动机的正常工作。


技术实现要素：

8.本发明解决的技术问题是：克服现有预示方法技术的不足，提出一种基于溢流阀的pogo主动抑制方法及系统。
9.本发明解决技术的方案是：一种基于溢流阀的pogo主动抑制方法，通过下属方式实现：
10.采集安装于发动机泵后高压管路上压力传感器的压力信号；
11.构建一个与压力信号频率一致的正弦信号，该正弦信号的相位能够通过参数进行调整；
12.通过将上述用于调整正弦信号相位的参数作为优化变量，进行自适应迭代更新，使构建的正弦信号的相位与压力信号相位相反；
13.将与压力信号频率一致、相位相反的正弦信号转换为用于控制溢流阀的开度的激励信号并输出至安装在所述高压管路上的溢流阀，由溢流阀根据激励信号调整开度和溢流溢流量，进而削减发动机泵后高压管路的压力脉动。
14.优选的，通过下述方式完成正弦信号构建：
15.对压力信号进行fft变换，得到泵源脉动的幅值a0和频率f0，构建两个互为正交的
参考信号x0(n)和x1(n)；
16.利用互为正交的参考信号的x0(n)和x1(n)，建模为任意相位的正弦信号x
ref
(n)＝ω0x0(n)+ω1x1(n)，其中ω0，ω1为用于调整正弦信号相位的参数。
17.优选的，通过下述方式进行自适应迭代更新：
18.将上述用于调整正弦信号相位的参数作为线性fir滤波器的权值作用在输入的压力信号上、由所述线性fir滤波器对输入压力信号线性滤波，由比较器将所述压力信号与线性fir滤波器输出作差，得到误差信号，进而得到均方误差；
19.迭代更新线性fir滤波器的权值，使得均方误差下降至预设的阈值，进而确定调整正弦信号相位的参数值。
20.一种基于溢流阀的pogo主动抑制系统，包括压力传感器、控制器和溢流阀；
21.所述的压力传感器安装于发动机泵后高压管路，用于感知泵后高压管路内流体压力脉动情况，感知的压力信号发送至控制器；
22.所述控制器根据压力信号，生成激励信号，用于控制溢流阀的开度；所述溢流阀用于根据控制器发出的激励信号，调整开度和溢流溢流量，进而削减发动机泵后高压管路的压力脉动。
23.优选的，压力传感器的响应频率不小于100hz，溢流阀的频率响应不低于100hz。
24.优选的，所述的控制器包括信号发生器及控制模块；所述的控制模块包括线性fir滤波器、比较器、自适应权值更新单元、指令控制单元；
25.所述信号发生器用于构建一个与压力信号频率一致的正弦信号，该正弦信号的相位能够通过参数进行调整；
26.将上述用于调整正弦信号相位的参数作为线性fir滤波器的权值作用在输入的压力信号上、由所述线性fir滤波器对输入压力信号线性滤波，由比较器将所述压力信号与线性fir滤波器输出作差，得到误差信号，进而得到均方误差；
27.所述自适应权值更新单元通过迭代更新线性fir滤波器的权值，使得均方误差下降至预设的阈值，进而确定调整正弦信号相位的参数值，利用该参数值控制信号发生器输出对应相位的正弦信号；
28.所述指令控制单元用于将信号发生器输出的正弦信号转换为用于控制溢流阀的开度的激励信号并输出至溢流阀。
29.优选的，所述的信号发射器通过下述方式完成正弦信号构建：
30.对压力信号进行fft变换，得到泵源脉动的幅值a0和频率f0，构建两个互为正交的参考信号x0(n)和x1(n)；
31.利用互为正交的参考信号的x0(n)和x1(n)，建模为任意相位的正弦信号x
ref
(n)＝ω0x0(n)+ω1x1(n)，其中ω0，ω1为用于调整正弦信号相位的参数。
32.优选的，所述的自适应权值更新单元利用随机梯度下降算法迭代更新线性fir滤波器的权值。
33.优选的，随机梯度下降算法迭代过程中忽略期望算子，得到评价函数：
34.js(n)＝|e2(n)|＝e(n)e
*
(n)
35.其中*表示复共轭，e(n)为比较器得到的误差信号。
36.优选的，所述高压管路的压力不小于20mpa。
37.本发明与现有技术相比的有益效果是：
38.现有的pogo抑制技术为多被动抑制，且均为采用在液路中增加气枕改变液路频率的方法实现错频降幅，从而达到抑制pogo振动的目的。本发明在技术上实现了pogo主动抑制，采用溢流阀主动抑制技术取代液路中增加气枕的方式，在液体火箭发动机的泵后管路上设置安装压力传感器，根据传感器采集到的压力脉动作为反馈，主动控制旁路溢流阀工作，通过溢流削峰的方式，抑制系统中的压力脉动，进一步避免发动机产生脉动推力，从而抑制结构与动力系统耦合的pogo振动。相比与传统pogo技术(膜盒式蓄压器和注气式蓄压器)无法实现精确的低频频率下的脉动抑制和高频压力脉动抑制的问题，该技术通过作动器的频率可以实现精确的频率抑制，且可实现高频压力脉动抑制。
附图说明
39.图1为本发明系统示意图；
40.图2为线性fir滤波器原理示意图。
具体实施方式
41.下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
42.本发明提供一种基于溢流阀的pogo主动抑制方法，通过下述方式实现：
43.采集安装于发动机泵后高压管路上压力传感器的压力信号；
44.构建一个与压力信号频率一致的正弦信号，该正弦信号的相位能够通过参数进行调整；
45.通过将上述用于调整正弦信号相位的参数作为优化变量，进行自适应迭代更新，使构建的正弦信号的相位与压力信号相位相反；
46.将与压力信号频率一致、相位相反的正弦信号转换为用于控制溢流阀的开度的激励信号并输出至安装在所述高压管路上的溢流阀，由溢流阀根据激励信号调整开度和溢流溢流量，进而削减发动机泵后高压管路的压力脉动。
47.本发明还提供一种溢流式pogo抑制系统布置于发动机泵后高压管路(压力不小于20mpa)，如图1所示，系统主要由压力传感器、控制器、溢流阀及相应的管路等组成。压力传感器采用响应频率不小于100hz的压力传感器，具体的传感器量程根据当地工作压力确定；控制器采用自适应控制算法，根据实测的压力信号计算得出激励信号，用于控制溢流阀的开度，溢流阀用于根据控制器发出的信号，调整开度和溢流溢流量，实现将激励信号施加到原始振动信号上，从而实现温漂、时变、强干扰下的长时间稳定消除压力脉动，进一步抑制pogo振动；溢流阀的频率响应不低于100hz，溢流流量根据当地脉动流量需求来确定。
48.所述的控制器包括信号发生器及控制模块；所述的控制模块包括线性fir滤波器、比较器、自适应权值更新单元、指令控制单元；
49.(1)信号发生器
50.目的：人为构建一个与待消频率一致的正弦信号，使得相位与原始信号相反。
51.原理：信号发生器采用的是三角函数全角公式。对原始信号进行fft变换，得到泵源脉动的幅值a0和频率f0，可以构建两个参考信号：
52.x0(n)＝a0cos(2πf0n)
53.x1(n)＝a0sin(2πf0n)
54.互为正交信号的x0(n)和x1(n)，可以建模为任意相位的正弦信号。所以，信号发生器输出的信号为
55.x
ref
(n)＝ω0x0(n)+ω1x1(n)
56.＝ω0a0cos(2πf0n)+ω1a0sin(2πf0n)
57.利用三角函数全角公式可得：
[0058][0059]
在这其中，φ＝arctan(ω0/ω1)，所以只要改变ω0，ω1的值，就可以改变相位差φ的值，实现相位的优化。
[0060]
(2)控制模块
[0061]
通过不断迭代优化信号发生器的参数ω0，ω1，使得信号发生器可以实现对原始信号的准确跟踪。算法的原理如图2所示。
[0062]
线性fir滤波器：将ω0，ω1作为线性fir滤波器的权值ω(n)作用在输入信号x(n)上面，产生滤波器输出y(n)。此过程可用下式表述：
[0063]
ω(n)＝[ω0(n),ω1(n),...,ω
m-1
(n)]
[0064]
x(n)＝[x(n),x(n-1),...,x(n-m+1)]
t
[0065][0066]
比较器：作用在线性fir滤波器之后，将真实响应d(n)(即原始压力信号)与滤波器输出y(n)作差，从而得到误差信号e(n)，以便构造均方误差来评价当前滤波效果的好坏。
[0067]
e(n)＝d(n)-y(n)＝d(n)-ω
t
(n)x(n)
[0068]
均方误差j定义为
[0069]
j＝e[(e2(n))]＝e[(d(n)-y(n))2]
[0070]
其中e代表数学期望，表示对n时刻大量统计独立的数据做瞬时平方估计，对误差均方值e2(n)求集平均。
[0071]
在实际应用中，以刚才描述的方式使用集平均是不可行的。本文使用最小均方算法是基于误差信号e(n)的单一瞬时实现，以在线方式来迭代更新，自适应环境的变化，这样做恰好与随机梯度下降法是一回事。故可忽略期望算子，得到新的评价函数：
[0072]js
(n)＝|e2(n)|＝e(n)e
*
(n)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0073]
其中*表示复共轭，js(n)中下标s用以表示有别于其集平均表达式中的j。均方误差存在最小值j
s_min
，随后利用优化方法找出系统达到最小均方误差时的ω0，ω1值。
[0074]
自适应权值更新单元：由比较器获取到的均方误差，通过随机梯度下降算法来不断迭代更新滤波器权值ω0，ω1，使得最终输出的均方误差越来越小，达到最小均方误差，以确定最优的ω0，ω1值，将最优的ω0，ω1反馈至信号发生器，由信号发生器输出与压力信号频率相同、相位相反的正弦信号。
[0075]
w0(n+1)＝w0(n)+μe(n)x0(n)
[0076]
w1(n+1)＝w1(n)+μe(n)x1(n)
[0077]
指令控制单元：将信号发生器输出的正弦信号转换为用于控制溢流阀的开度的激励信号并输出至溢流阀，达到抑制的目的。
[0078]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
[0079]
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。