一种基于滚动测频的旋转爆震发动机起爆过程在线检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于滚动测频的旋转爆震发动机起爆过程在线检测方法，属于航空发动机控制领域，基于该方法可以实现旋转爆震发动机起爆过程准确且及时地捕获与判断。

背景技术

当前，包括涡轮发动机、冲压发动机在内的大多航空航天动力装置主要还是采用常规的等压燃烧方式。这类发动机发展已经日渐成熟，受到基于等压燃烧的Brayton循环效率及材料结构等方面的限制，进一步大幅提高此类发动机的推进效率变得非常困难。因此近似等容燃烧的爆震发动机成为高超声速推进系统的研究热点。

旋转爆震发动机作为爆震发动机中最为重要的类型之一，相较于脉冲爆震发动机相比，它具有爆震波旋转频率高、推力稳定、燃烧室轴向尺寸小、只需一次起爆即可实现连续爆震燃烧、对点火系统依赖度不高等优势；相较于斜爆震发动机相比，它对来流空气的速度要求更低，可在较宽马赫范围内工作，在当前技术条件下具有更强的可实现性。因此，旋转爆震发动机成为近年来广受关注的爆震发动机。

在以往的航空航天推进系统控制逻辑中，通常不需要对燃烧室内的压力波动进行检测，因为燃烧室内是否成功点火极易判断。然而，由于旋转爆震燃烧自身的特殊性，简单的点火判断不能够判定是否成功处于爆震状态。根据爆震波头周向运动的特点，布置在相应位置的压力传感器/离子探针型压力传感器会周期性地检测到压力脉动，这种燃烧室内压力高频、周期性的波动，是检测是否处于旋转爆震燃烧状态的关键性标志。对于航空航天发动机而言，其飞行包线具有跨速域、跨空间的特点。为了保证发动机能够在全包线范围内能够安全稳定地工作，控制系统将通过各类控制算法实现对发动机的全过程控制，这就包括了对旋转爆震燃烧关键性特征的检测与反馈控制。因此，需要结合旋转爆震的特点开发相应的功能，推算出爆震波头的周向运动频率，从而辅助判断是否成功进行旋转爆震燃烧。

在现有技术的支持下，旋转爆震发动机台架试车时是否成功起爆往往需要试验人员现场根据现象和经验进行判断，为了更为准确地判断起爆状态，试验人员通常讲燃烧室内压力传感器信号进行保存，通过对燃烧室内压力的离线处理来判断起爆是否成功。这种做法在研制初期固然可以帮助判断试验是否成功，但是航空航天发动机的控制系统是一个高实时性系统，离线的判断处理会影响控制系统的效率和可靠性。因此亟需一种面向控制应用需求、能够及时且准确判断出旋转爆震起爆状态的在线检测方法，以为控制系统的开发和研制验证提供支持。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于解决现有的技术空白，提供一种基于滚动测频的旋转爆震发动机起爆过程在线检测方法，在无需高频采样的情况下，完成燃烧室内高频压力信号的处理，并推算出爆震波头周向转动的频率，从而判断旋转爆震的起爆过程是否完成。本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于滚动测频的旋转爆震发动机起爆过程在线检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1：通过模拟电路将爆震波头周向运动扫过燃烧室内相应测点压力传感器产生的不规则高频压力信号调理成规则的方波信号；

进一步地，步骤1中所述模拟电路通过电容隔直、信号滤波、信号放大、滞环比较等方法，将燃烧室内压力传感器的高频脉动信号调理成规则的高频方波信号；

特别地，步骤1中所述模拟电路通过多路开关选择不同大小的电阻，从而改变滞环比较宽度，以适应不同的压力信号。

步骤2：设置时间窗口长度t(ms)，并采集固定时间窗口内的信号脉冲个数N

进一步地，步骤2中所述时间窗口为根据经验人为离线规定的时间长度，该时间长度不宜过长，以免影响爆震检测的实时性；也不宜过短，以免影响爆震检测的准确性；

进一步地，步骤2中所述信号为步骤1中模拟电路输出的方波信号，脉冲个数采集和计数通过程序进行上升沿或下降沿捕获实现。

步骤3：通过测频法计算得到当前时间窗口内爆震波头的转动频率f

进一步地，步骤3中所述测频法是指在规定的检测时间内，测量计数脉冲个数。在本发明中，规定的检测时间即为所设置的时间窗口t，计数脉冲个数为步骤2中的脉冲个数N。

步骤4：设置频率阈值F

进一步地，步骤4中所述阈值f

步骤5：以τ(ms)为时间间隔滚动采集n个时间窗口的信号脉冲个数，并重复步骤3和4，获得连续n个时间窗口内爆震波头的转动频率f

进一步地，步骤5中所述滚动采集是指，假设当前时间窗口采集的是第(j～j+t)ms内的脉冲个数，那么下一次采集(j+τ～j+τ+t)ms内的脉冲个数，以此类推。

步骤6：根据f

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

(1)适用性高：本发明中所述的模拟电路采用多路开关选择电阻值，从而可以调节滞环比较宽度，使得信号调理模拟电路可以调理不同的脉动压力信号。后续信号采集处理与比较只需根据实际发动机试验的情况，设置合适的阈值即可完成起爆的检测。

(2)准确度高：本发明设置两个比较阈值，通过滚动采集比较的方式，重复验证连续时间窗口内的频率，确保了检测的准确性。

(3)实时性好。本发明通过连续多个较短时间窗口内的信号频率和离线设置好的阈值进行比较判断，实现旋转爆震发动机起爆过程的在线检测。采用模拟电路对传感器的高频压力信号进行调理，采用捕获上升沿或下降沿的方式计数脉冲个数，避免了信号的高频采样和离线处理，为控制系统的开发和研制提供支持。

附图说明

图1为旋转爆震发动机起爆过程检测方法流程图；

图2为旋转爆震燃烧室高频脉动压力信号调理电路；

图3为旋转爆震燃烧室高频脉动压力信号；

图4为旋转爆震燃烧室高频脉动压力信号调理电路输出的方波信号；

图5为旋转爆震燃烧室高频脉动压力信号调理电路输出的方波信号局部图；

具体实施方式

针对现有的技术无法满足旋转爆震发动机起爆过程在线检测的需求，本发明基于模拟电路和滚动采集方法的应用，提出一种基于滚动测频的旋转爆震发动机起爆过程在线检测方法。通过模拟电路将爆震波头周向运动产生的不规则高频压力信号调理成规则的方波信号，结合软件程序滚动采集固定时间窗口内的脉冲个数，通过测频法计算得到当前时间窗口内爆震波头的转动频率，根据连续数个时间窗口内测得的频率与所设定阈值的比较判断起爆过程是否完成。

为了便于公众理解，下面以某旋转爆震冲压发动机为例对本发明技术方案进行详细说明。

步骤1：通过图2所示的模拟电路将爆震波头周向运动扫过燃烧室内相应测点压力传感器产生的不规则高频压力信号调理成规则的方波信号；

进一步地，步骤1中所述模拟电路，通过C4电容隔去直流信号，通过R4、C6、R5、C7等进行RC滤波滤掉噪声信号，然后通过运放LM358将信号放大，通过LM393进行滞环比较将信号调理成方波信号，最后通过三极管将方波信号限幅成处理器能采集的0-3.3V方波信号。步骤1将燃烧室内压力传感器的高频脉动信号(图3)调理成规则的0-3V高频方波信号(图4、5)；

特别地，步骤1中所述模拟电路应用四选一多路开关RS2255选择不同阻值的电路，从而实现滞环宽度的调节，以适应不同的压力信号，提高该模拟电路的普适性。

步骤2：为了兼顾实时性和准确性，设置采集时间窗口长度t＝10ms，并采集固定时间窗口内的信号脉冲个数N；

进一步地，步骤2中所述信号为步骤1中模拟电路输出的方波信号(图4)，通过嵌入式程序上升沿捕获采集当前时间窗口(0～10ms)内脉冲个数N＝17，如图5所示。

步骤3：通过测频法计算得到当前时间窗口(0～10ms)内爆震波头的转动频率

步骤4：根据试验数据和经验，设置频率阈值F

步骤5：以τ(ms)为时间间隔滚动采集n个时间窗口的信号脉冲个数，并重复步骤3和4。本实例中设置时间间隔τ＝5ms，获得连续5个时间窗口内爆震波头的转动频率f

步骤6：根据f

以上所述，本发明能够有效地弥补现有控制技术的不足，采用模拟电路处理高频压力信号，通过滚动采集的方法测量连续时间内信号的频率，并以此判断起爆状态。以上仅为本发明具体实施方式举例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。