[发明专利]一种基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置及其控制方法

摘要

一种基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置，该装置主要由燃料供给系统和脉冲式反应系统组成。其中，燃料供给系统实现单组元燃料存储和流量调控；单组元燃料顺序通过脉冲式反应系统中的入口高频开关阀和催化剂床，燃料在催化剂作用下由液态分解为气态，使催化剂床内压力迅速上升。整个过程可以分成三段输入阶段，即入口高频开关阀开启，出口高频开关阀关闭；反应阶段，即入口、出口高频开关阀均关闭；喷射阶段，即出口处高频开关阀开启，入口高频开关阀关闭。装置根据输出力需求，利用热力学和流体力学公式获得流量泵流量和入口、出口高频开关阀PWM控制信号占空比等参数取值，产生持续的脉冲喷射效果。该脉冲式仿生动力装置具有高功率密度、环境友好、结构简单和高效率等优点，适用于外骨骼机器人和喷气背包等设备的动力系统。

主权项

一种脉冲式仿生动力装置控制方法，用于控制基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置，所述基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置包括单组元燃料供给系统和脉冲式反应系统，所述单组元燃料供给系统包括储罐、流量泵，所述脉冲式反应系统包括入口高频开关阀、催化剂床、压力传感器、出口高频开关阀、控制器和喷嘴，所述储罐通过流量泵与催化剂床的入口连接，所述催化剂床的出口与喷嘴连接，催化剂床的入口和出口分别安装有入口高频开关阀和出口高频开关阀，所述催化剂床上安装有监控催化剂床内压力变化的压力传感器，所述压力传感器的信号端与控制器连接，所述控制器的信号端与入口高频开关阀、出口高频开关阀和流量泵连接，所述控制器控制入口高频开关阀和出口高频开关阀的占空比以及流量泵的流量大小，其特征在于：包括如下步骤：a、前期准备，根据载物的重量设定喷口推力期望值为Fe；选取燃料浓度ψ、燃料摩尔数N、入口高频开关阀的PWM信号频率f1、催化剂床体积V、出口高频开关阀的PWM信号频率f2、出口高频开关阀开口半径rout、喷嘴有效截面积At、喷口喷射系数Cd、大气压力P0、气体密度ρ、理想气体常数R、催化剂床内温度T、入口高频开关阀的PWM信号占空比ξ1和出口高频开关阀的PWM信号占空比ξ2；根据下方公式：F＝P×At       公式(1)将Fe的值代入公式(1)的F中，使用四阶‑五阶Runge‑Kutta算法的变步长常微分方程数值解法，计算出流量泵期望流量值Q设为Qe，并将其设定为当前流量泵的流量值；b、输入阶段，将入口高频开关阀开启，出口高频开关阀关闭；利用压力传感器检测催化剂床内压力为Pa，将Pa的值代入公式(1)的P中，计算得到实际推力Fa；当喷口推力偏差值ΔF＝|Fa‑Fe|大于5％时，将ΔF的值代入公式(1)的F中得到P的值，再带入公式(2)，计算出流量微调量Q设为ΔQ，设定下一个循环的流量泵的优化流量为Qo＝Qe±ΔQ；当喷口推力偏差值ΔF＝|Fa‑Fe|小于5％时，将ΔF的值代入公式(1)的F中得到P的值，并将P带入下方公式：使用四阶‑五阶Runge‑Kutta算法的变步长常微分方程数值解法，计算出入口高频开关阀占空比微调量ξ1设为Δξ1，设定下一个循环的入口高频开关阀优化占空比ξ1o＝ξ1±Δξ1；c、反应阶段，当催化剂床进入足量燃料后，将入口高频开关阀和出口高频开关阀均关闭进行反应；d、喷射阶段，当燃料在催化剂作用下反应完成后，开启出口高频开关阀，关闭入口高频开关阀；e、重复步骤b、c、d，不断修正推力偏差值ΔF，直至喷口推力偏差值ΔF小于1％，然后保持此时流量泵的流量和入口高频开关阀的占空比即可保持喷口推力的稳定。