科技创新与应用ｆ ２０１７年第５期 科技创新 基于极点配置的横滚自动驾驶仪设计 陈海燕 （中国空空导弹研究院，河南洛阳４７１００９） 摘要：文章基于尾舵控制的弹体，采用极点配置设计方法，建立了控制参数与开环穿越频率，阻尼比及零极点比值的解析关系。 在综合考虑执行机构带宽及相位裕度的约束的前提下，完成横滚自动驾驶仪设计。仿真结果表明系统时域响应品质良好，具备 良好的稳定裕度，文章提出的设计方法有效。 关键词：极点配置；横滚自动驾驶仪；穿越频率 同时四代机为实现隐身的目的，导弹需内埋弹射发射，在初始 从（６）式可以看出，通过理想极点配置方法，横滚控制增益大小 弹射段，导弹位于载机机腹下，载机流场复杂，面临严重的干扰力 与弹体气动特性Ｃ。、ｃ 、系统开环截止频率０，１ 实零点与实极点大小 矩，这都对导弹的横滚控制的稳定性、快速性及无静差控制提出了 比值 及阻尼比∈有关。ａ ：为弹体本体特性，决定于导弹的气动 严格的要求＿１＿。 文章针对尾舵控制导弹，设计了一种无静差快响应两回路横滚 控制自动驾驶仪。利用简化的三阶横滚自动驾驶仪，采用极点配置 方法，综合考虑执行机构带宽及稳定裕度约束的前提下，完成横滚 自动驾驶仪的设计，实现横滚无静差控制，给出导弹典型空域的设 计结果及线性化仿真结果。 １横滚自动驾驶仪设计 忽略执行机构、速率陀螺及结构滤波器的动态特性，横滚自动 驾驶仪为三阶系统，其简化的结构框图如图１所示： 图１横滚通道驾驶仪简化框图 自动驾驶仪待设计参数包含内回路角速度反馈增益Ｉ ，Ｐｌ控制 器参数Ｋ。，Ｋ 。 横滚弹体传递函数为： ｓｚ（ｓ）：——：二 血 … （ ） ６（ｓ） １／ｇｓ＋ｌ … 其中：Ｃ１＝～Ｍ ｆ Ｊ 、 ｃ３＝一Ｍ ／Ｊｘ 滚转弹体传递函数为一阶惯性环节，且时间常数较大，为慢响 应系统，对大攻角存在气动交叉耦合导致的诱导滚转及不确定性外 界扰动引起的横滚干扰抑制能力弱，弹体稳定性差，因此必须引入 自动驾驶仪以改善弹体横滚动态特性，增强弹体横向稳定性 。 由驾驶仪框图可得横滚驾驶仪系统闭环传递函数为： ｌｇ ｃ３（ｋ ｇｓ＋ ｋｉ）＝ ｓ５＋ １＋Ｉ ｇｃ ｓ ＋Ｉ ｇｃ ｇ而ｓ＋Ｉｇｃ ｉ ‘ｓ） 理想极点配置形式通常为一个实极点及一对共轭极点对，即： ±生！ ： ±生 ｒ４１ ＋（ｃ１＋，ｇｃ３） ＋ｚｇｃ３ｋ，ｓ＋ｌｇｃ３ｋｉ （ ＋２￣ａＪｓ＋ｗ ） ＋Ａ） 式（４）中理想的期望的极点为一Ａ及共轭极点∞（∈＋ｊ低）， 对（４）式取１个极点与零点相近，即 Ａ＝ 叩＝咖 （５） ｇ 综合式（４）、（５）及控制系统开环截止频率ｔｏ￣＝Ｉｇ＊ｅ，，可得控制增 益Ｉｇ，ｋｉ、ｋ 解析表达式： Ｉ ： ／ｃ３ 竖 饕癌 ㈦ ｆ ，４ （ｃ１＋ｕ。，）。 （２ 一１） Ｉ 一 （叩一１＋４∈ ） 。 一６２一 外形。通过相关公式可知 为略大于１的数值，对于横滚控制来说， 阻尼∈通常取为０．９左右，因此最终横滚控制增益的计算取决于系 统开环截止频率的选取。 对于简化的三阶横滚自动驾驶仪开环穿越频率选取因遵循以 下两个原则：（１）稳定性要求：相位裕度大于６０。；（２）快速性要求：系 统开环截止频率决定了横滚控制的快速性，工程上通常将开环截止 频带取执行机构等效带宽的１／３左右。 ２设计仿真 取某典型飞行状态，选取期望的设计参数，计算相应的控制增 益，完成横滚自动驾驶仪设计及线性化仿真。飞行状态包含飞行高 度（Ｈ＝１００００）、飞行马赫数（Ｍ＝３．５），设计约束包含舵机带宽（１８０ ｒａｄ／ｓ）、系统开环相位裕度（＞６０。），期望参数包含开环穿越频率（１） （１８０ ｒａｄ／ｓ）、阻尼比（∈＝０．９）比例值 （１．００５），设计结果为控制参数 及开环穿越频率。依据（６）式完成控制参数设计，其阶跃响应及 ＢＯＤＥ图如图２、图３所示。， ¨ 。 葶一等ｎ｛｝＆＊ 枷 ｍ ０ ｆ ｔ ／ ０２ ０ ４ ０６ ０８ 图２阶跃响应 ＼＼ 、 ～ ＼．． ＼ Ｓｙｓｔｅｍ ｒＯｌｌ ｏｐｅｎ —— —～ Ｄｅ砷№ｒｑ（ｓｅｃ ０２０６ Ａｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ｒａｄｆ９ｅｃ ６２７ ｓｅ。 。。ｐ 啦 ｅｓ ／一 ‘ ／／一＼ ／ 、＼／／ 科技创新 ２０１７年第５期Ｉ科技创新与应用 火电厂烟气脱硝烟道直喷尿素热解制氨工艺的应用 毕浩生 孟德鑫 丛日强 潘洋 （北京洛卡环保技术有限公司，辽宁沈阳１１００１３） 摘要：介绍烟道直喷尿素制氨工艺技术，并针对某２ｘ１００ｔ／ｈ锅炉烟气脱硝改造项目，具体分析烟道直喷尿素热解制氨工艺流 程、设备特点及运行情况，并对经济性进行分析。 关键词：烟道直喷；尿素热解；单喷嘴喷射器；脱硝 引言 随着近年来超低排放要求、脱硝补贴电价上调、火电行业效益改 善以及环境治理等多重因素，传统的尿素热解制氨脱硝技术由于所 需电耗大、运行费用高，热解室尾部易造成尿素结晶等因素，已成为 尿素热解工艺广泛推广应用的主要障碍。针对以上问题成功开发一 种高效、节能环保的脱硝技术，将尿素溶液直接喷射到高温烟气中利 用烟气热量分解尿素制备氨气，可大大节省大量的电能等能源＿ｌ１。 目前该技术已完成尿素直接喷射制氨工艺技术的机理研究、实 验室研究、工业试验研究（６ｏ０Ｍｗ机组锅炉示范装置）、全尺寸流场 模拟研究等技术研发和试验工作，得到多项国家授权专利，并成功 用于多台机组的脱硝工程。 １尿素直喷工艺技术 １．１基本原理 尿素溶液在４５０—６００￣Ｃ快速分解为氨气与二氧化碳，尿素热解 的化学反应式为： ＣＯ（ＮＨ２）２：ＮＨ３＋ＨＮＣＯ （１） ＨＮＣＯ＋ＨｚＯ＝ＮＨ３＋ＣＯ２ （２） １．２工艺流程 将制备的一定浓度的尿素溶液经循环供液泵输送至锅炉平台 上的计量装置，经计量装置精确测量所需尿素溶液量，再由分配装 某２ｘ１００ｔ／ｈ链条锅炉脱硝效率８０％。该脱硝工程所用的还原剂 为颗粒状尿素，经尿素溶解罐溶解后配置成５０％ｗｔ．的尿素溶液，经 尿素输送泵送至尿素储存罐，尿素溶液从溶液储存设备，经由输送 装置输送到各锅炉烟气脱硝系统，其回流通过背压控制阀调节，以 保证提供稳定的流量和压力。ＳＣＲ反应器布置在锅炉炉后和除尘器 之间，室外布置。ＳＣＲ区每台锅炉设置一套反应器，催化剂装填采用 ２层，在锅炉燃料用设计燃料煤种１００％负荷时脱硝装置的效率 ８０％（人口ＮＯ 浓度≤５００ｍｇ／Ｎｍ ）。脱硝装置不设烟气旁路，本工程 设置声波吹灰装置。 针对该项目催化剂上方速度分布、浓度分布、矢量分布、温度分 布、整个系统压损以及还原剂挥发特性进行流畅模拟计算，经优化 调整，给出优化后的导流板布置。锅炉负荷５５％一６０％；入口温度 ２９３—３１０￣Ｃ；出Ｖ１温度２８７—３０３ｃｃ；入口ＮＯ ２５０—２８０ｍｇ／ｍ’；出口ＮＯ ３０—７０ｍｇ／ｍ ；氨逃逸０—２ｐｐｍ；尿素喷量１６—２０Ｌ／ｈ；稀释尿素流量 ２１２—２２０Ｌ／ｈ。 目前结果显示，根据设计喷射位置，设计喷枪参数，及导流片布 置的情况下，可以很好的满足催化剂上游速度分布指标要求，还原 剂浓度分布指标和温度分布指标要求。具参数如表１。 表１脱硝效果参数 项目 单位 数据 处理前的ＮＯｘ基线浓度（标况、干态、６％０。） ｍｇ／Ｎｍ ５０Ｏ 脱硝处理后的ＮＯｘ排放浓度（标况、干态、６％０。） ｍｇ／Ｎｍ。 １Ｏ０ 置通过设置在锅炉烟道的单喷嘴喷射器将尿素溶液喷人烟道内，尿 素浴掖喷射器组ｌ喷＿出 萦缀滴与烟’气说笞，茌烟道中祓加热并分 解成氨气。氨气与烟气的混合物依次穿过锅炉省煤器、静态混合器、 烟气导流板和整流格栅，进入装有催化剂的ＳＣＲ反应器。在催化剂 作用下，氨气与烟气中的氮氧化物发生反应，生成无害的氮气和水， 同时脱除氮氧化物。 １．３工艺特点 设计脱硝效率 平均氨逃逸率 对锅炉效率的影响 还原剂消耗（尿素，ＳＣＲ工艺） 工艺水消耗（最小连续用量） 压缩空气消耗 ％ ≥８０ ｍｇ／Ｎｍ。 ２．２５ ％ ＜０．５ ｋｇ／ｈ ｋｇ／ｈ ４２ ３６５ （１）与传统尿素热解工艺相比，烟道直喷技术简化了工艺系统， 取消了电加热／天然气加热等热源，大大降低高品质能源（电能、天 然气、一次风等）消耗日，降低运行成本；取消了热解载体绝热分解窒 及热风管道，降低大部分设备投资。根据锅炉与反应器之间的烟道 实际布置情况，采用合适的流场混合技术，设计能够满足催化剂人 口对烟气／氮氧化物／氨气等主要气体浓度均匀性的要求的混合装 置。（２）喷射器布置在反应器入口烟道，寻找到最适宜尿素喷射位 置，提高尿素的利用率和脱硝效率根据。尿素直喷氨与烟气混合程 度比原热解系统差，需在ＳＣＲ入口均流装置需要改造，需要增加涡 流混合器，对烟气与氨气混合提供了进一步改善的机会，保证混合 均匀性。消除尿素分解不完全或低温结晶而导致ＡＩＧ结晶堵塞的风 Ｎｍ。／ｍｉｎ １．６ 电耗（所有连续运行设备轴功率） ＫＷ ５Ｏ 经过烟道直喷ＳＣＲ脱硝系统改造，锅炉运行情况良好，各项指 标均满足设计要求。锅炉出口ＮＯ 值大大降低，完全符合环保要求。 ２－３经济效益分析 本工程如采用传统的尿素热解系统，尿素需要在热解炉中完成 热解，单台机组采用电加热消耗电能２８０ｋＷ。采用烟道直喷ＳＣＲ系 统后，取消了电加热器，减少尿素热解热风消耗量１２００ｍ３／ｈ，尿素消 耗量基本保持不变。 ３结束语 险。 采用烟道尿素热解制氨工艺，减少热源加热器和绝热分解室， ２技术应用 降低前期设备投资，同时减少电耗／天然气消耗以及一次风消耗，可 ２．１项目介绍 有效降低脱硝运行费用，达到良好的经济效益和社会效益。且项目 某２ｘ１００ｔ／ｈ链条锅炉为双锅筒自然循环低压锅炉，已同步配 运行稳定，投用率高，各项指标均满足排放标准。 参考文献 套除尘及脱硫设施建设，原设计没有设计烟气脱硝。根据环评批复 要求，决定建设ＳＣＲ法脱硝装置，采用烟道直喷尿素热解技术。入 ［１］姚海明，周萍，高月容．ＳＣＲ脱硝尿素热解制氨热解风制备工艺［Ｊ】． 口氮氧化物浓度约５００ｍｇ／ｍ，，出口排放浓度小于２００ｍｇ／ｍ，。鉴于排 中国环保产业，２０１６，０８． 放标准已向更高标准要求发展，按出口排放浓度小于ｌＯＯｍｇ／ｍ 设 『２］齐玄，孟胜利．小议脱硝系统尿素热解热源加热改造方案『Ｊ１．江西 建材，２０１６，０１． 计，按出ＶＩ排放浓度小于１００ｍｇ／ｍ 施工验收。 ２．２运行情况 明系统时域响应品质良好，具备充足的稳定裕度，文章提出的设计 方法有效。 参考文献 ＡＩＡＡ ２００５－６３８ １．２００５． 『３］Ｎｅｓｌｉｎｅ，Ｆ．Ｗ，Ｗｅｌｌｓ，Ｂ．Ｂ．ａｎｄ Ｚａｒｅｈａｎ，Ｐ．Ａ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｏｐｔｉｍａｌ／ Ｃｌａｓｓｉｃａｌ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｒｏｂｕｓｔ Ｍｉｓｓｌｅ Ａｕｔｏｐｉｌｏｔ Ｄｅｓｉｇｎ．ＡＩＡＡ Ｇｕｉｄ— ａｎｃｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｅｅ，１９７９，７９—１７３１． 【１］程云龙．防空导弹自动驾驶仪设计【Ｍ】．北京：中国宇航出版社， １９９４． 作者简介：陈海燕（１９８１一），女，汉族，甘肃兰州，空空导弹研究 ［２］ＭＲＡＥＫ Ｃ Ｐ，ＲＩＤＧＥＬＹ Ｄ Ｂ．Ｍｉｓｓｉｌｅ Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ Ａｕｔｏｐｉｌｏｔｓ 院助理工程师，本科，研究方向：制导仿真。 Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｏｐｔｉｍａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ＣｌａｓｓｉｅｌａＴｏｐｏｌｏｇｉｅｓ［Ｒ］． 一６３—