CN110109374B - 液体火箭发动机推力调节系统的半实物仿真方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体火箭发动机推力调节系统的半实物仿真方法及装置，方法包括：基于实时计算机中的液体火箭发动机仿真程序实时计算液体火箭发动机的当前状态，基于液体火箭发动机的当前状态，通过接口板卡输出相应的信号至推力调节系统实物和负载模拟装置实物；推力调节系统实物基于传感器信号和负载扭矩执行推力调节作动；基于接口板卡测量当前推力调节系统实物的作动状态，将其值传入液体火箭发动机仿真程序用于迭代计算。本发明采用“虚拟”的液体火箭发动机为推力调节系统提供与在真实发动机上相一致的工作环境，尽量减少了液体火箭发动机真实试验的次数，安全可靠、低成本的完成了大部分推力调节系统的调试、测试工作。

Description

液体火箭发动机推力调节系统的半实物仿真方法及装置

技术领域

本发明涉及液体火箭发动机仿真技术领域，尤其涉及一种液体火箭发动机推力调节系统的半实物仿真方法及装置。

背景技术

液体火箭发动机，是指采用液体推进剂的火箭发动机。推力调节系统，是指通过调节液体火箭发动机进入燃烧室的推进剂流量，进而调节发动机推力的装置。

目前，可回收液体火箭发动机是商业航天的核心技术之一。在可回收液压火箭发动机中，推力调节系统是关键组成部分，能够在较大的区间调节发动机推力是实现火箭垂直回收的技术基础。

相对于传统的火箭发动机来说，推力调节系统的研制是全新的技术领域，其技术方案创新性较高，研发面临的不确定因素较大。

推力调节系统包含控制器硬件、控制软件、调节阀组件等组成部分，是复杂的机械、电子、流体一体化系统。在研发过程中需要对控制器硬件电路设计、控制软件设计以及调节阀本身的设计进行大量的调试测试和迭代设计。因此对于推力调节系统，大量的测试、调试是不可缺少的研制环节。

目前，对于推力调节系统的测试和调试，主要采用的是完全的“实物”测试，因此，现有的“实物”测试存在以下缺点：

(1)此类试验危险性高，导致需要充分的准备和组织，试验的人员规模、场地规模、设备规模都非常大，并且需要较长的准备时间，是一种经济成本、时间成本、危险性都非常高的技术手段，难以应用到日常的研发中。

(2)实物存在很多不确定因素的影响，且难以了解各个部件每一时刻的工作状态，仅能通过布置传感器获取到事先人为选择的部分状态变量。

(3)实物试验难以精准重复，受试验条件的影响，难以完全精准的对试验过程进行复现，对于需要反复迭代、回归测试的控制系统研发，试验的难以复现会影响迭代回归测试的效果。

因此，如何有效的实现对液体火箭发动机推力调节系统的测试和调试，是一项亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种液体火箭发动机推力调节系统的半实物仿真装置，采用“虚拟”的液体火箭发动机代替真实的液体火箭发动机，为推力调节系统提供与在真实发动机上相一致的工作环境，进而对推力调节系统进行大量的调试、测试等试验工作，尽量减少了液体火箭发动机真实试验的次数，安全可靠、低成本的完成了大部分推力调节系统的调试、测试工作。

本发明提供了一种液体火箭发动机推力调节系统的半实物仿真方法，包括：

基于实时计算机中的液体火箭发动机仿真程序实时计算液体火箭发动机的当前状态；

基于所述液体火箭发动机的当前状态，通过接口板卡输出相应的信号至推力调节系统实物，以实现传感器信号的模拟；

基于所述液体火箭发动机的当前状态，通过所述接口板卡输出相应的信号至负载模拟装置实物，以实现负载扭矩的模拟；

所述推力调节系统实物基于传感器信号和负载扭矩执行推力调节作动；

基于所述接口板卡测量当前推力调节系统实物的作动状态，将其值传入液体火箭发动机仿真程序用于迭代计算。

优选地，所述基于实时计算机中的液体火箭发动机仿真程序实时计算液体火箭发动机的当前状态包括：

开发预先构建的液体火箭发动机仿真程序；

基于接口板卡实现仿真程序与实物之间的数据交互；

运行所述预先构建的液体火箭发动机仿真程序，计算出在实物数据激励下的液体火箭发动机的当前状态。

一种液体火箭发动机推力调节系统的半实物仿真装置，包括：

半实物仿真装置，用于采集推力调节系统实物的作动量给液体火箭发动机仿真程序、由液体火箭发动机仿真程序实时计算液体火箭发动机的当前状态并输出相应的信号至推力调节系统实物和负载模拟装置实物，以实现为推力调节系统实物提供接近真实的运行环境。

优选地，所述半实物仿真装置包括：

上位机，用于配置仿真程序，并在仿真程序与接口板卡的I/O通道之间建立连接关系；

接口板卡，用于采集推力调节系统实物和负载模拟装置实物的信号给仿真程序，及输出仿真程序的指定计算结果给推力调节系统实物和负载模拟装置实物；

实时计算机，用于运行所述预先构建的液体火箭发动机仿真程序，计算出在所述推力调节系统实物和负载模拟装置实物数据激励下的液体火箭发动机的当前状态。

优选地，所述装置还包括：

负载模拟装置，用于基于传感器信号以模拟扭矩负载。

优选地，所述液体火箭发动机仿真程序包括：液体火箭发动机组成部件的动态特性方程及求解器。

优选地，所述实时计算机包括：PXI/PCI总线接口。

优选地，所述接口板卡为PXI/PCI标准板卡，安装在所述实时计算机的PXI/PCI插槽上。

优选地，所述PXI/PCI标准板卡还包括多个预留PXI/PCI插槽。

综上所述，本发明公开了一种液体火箭发动机推力调节系统的半实物仿真方法，在对推力调节系统进行仿真测试时，首先基于预先构建的液体火箭发动机仿真程序实时计算液体火箭发动机的当前状态，输出推力调节系统进行作动量计算所需要的相应的结果数据至推力调节系统以模拟传感器信号，输出推力调节系统的当前负载扭矩至负载模拟装置以提供推力调节系统应有的扭矩负载，从电气、机械两方面为推力调节系统模拟接近实物发动机的工作环境；推力调节系统基于传感器信号执行推力调节作动，推力调节系统的作动结果。本发明采用“虚拟”的液体火箭发动机代替真实的液体火箭发动机，为推力调节系统提供与在真实发动机上接近一致的工作环境，进而对推力调节系统进行大量的调试、测试等试验工作，尽量减少了液体火箭发动机真实试验的次数，安全可靠、低成本的完成了大部分推力调节系统的调试、测试工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的一种液体火箭发动机推力调节系统的半实物仿真方法实施例1的方法流程图；

图2为本发明公开的一种液体火箭发动机推力调节系统的半实物仿真装置的工作原理流程图；

图3为本发明公开的一种液体火箭发动机推力调节系统的半实物仿真装置实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1所示，为本发明公开的一种液体火箭发动机推力调节系统的半实物仿真方法实施例1的方法流程图，所述方法可以包括：

S101、开发、或配置预先构建的液体火箭发动机仿真程序；

S102、配置基于接口板卡实现的仿真程序与实物之间的数据交互关系；

S103、配置测控界面；

S104、将被测推力调节系统的机械接口、电气接口与半实物仿真装置的对应接口连接；

S105、启动半实物仿真装置；

S106、启动被测推力调节系统；

S107、根据试验规划，手动发出推力调节指令，或根据预设的脚本自动发出推力调节指令；

S108、完成试验后，停止推力调节系统和半实物仿真装置，根据需要保存仿真程序及接口板卡的指定数据，用于后续数据分析、设计优化和回归测试。

具体的，上述实施例的详细工作过程中半实物仿真装置的工作原理如图2所示，当需要对液体火箭发动机的推力调节系统进行调试、测试工作时，首先需要开发液体火箭发动机的仿真程序或基于已有的火箭发动机仿真程序进行修改、配置。

其中，在开发液体火箭发动机仿真程序时，可采用Simulink、Modelica、LabVIEW、AMESIM或C语言等开发手段，液体火箭发动机仿真程序包含输送管路、涡轮泵、相关阀门、推力室等发动机组成部件的动态特性方程的数学模型。

在开发液体火箭发动机仿真程序时，通过涡轮泵试验、阀门试验、推力室点火试验等试验的相关结果数据对模型进行验证和标定以保证其计算结果的准确性。

此外，在构建液体火箭发动机仿真模型时，需要对模型的计算速度进行测试，并对部分数学模型进行实时化处理，确保其运算的实时性。液体火箭发动机仿真模型最终封装成符合实时操作系统要求的链接库格式，满足在实时操作系统中运行的要求，优选地，采用LabVIEW RT作为半实物仿真装置中的实时操作系统。

具体的，可以通过上位机开发液体火箭发动机仿真程序。另外，上位机还需要负责半实物仿真试验的配置、接口映射关系的定义、半实物仿真试验过程的监控、数据的显示、存储。优选地，采用NI公司的VeriStand软件作为上位机的基础管理软件，在此软件基础上配置液体火箭发动机仿真模型及模型之间、模型与硬件接口之间的映射关系，开发半实物仿真试验过程的监控界面，并完成数据的显示、存储等功能。

此后，可开展半实物仿真试验。

运行液体火箭发动机的仿真程序，计算出在当前外部数据激励下的液体火箭发动机状态变量。具体的，在计算出在当前外部数据激励下的液体火箭发动机状态变量时，必须通过实时计算机进行计算，优选地，实时计算机中运行LabVIEW RT实时操作系统。

将在当前外部数据激励下计算得出的液体火箭发动机状态变量转换成符合传感器形式的电压值、电流值或数字量，并将其模拟成传感器信号，输出至推力调节系统。

具体的，需要通过接口板卡将这些信号输出至推力调节系统中用于连接传感器信号的指定电气针脚。

具体的，接口板卡安装在实时计算机中，优选地，采用PXI/PCI标准板卡。接口板卡主要提供模拟输入接口、模拟输出接口、数字输入接口、数字输出接口、CAN总线接口和RS485/422串口接口等常用接口；并且预留了多个PXI/PCI插槽，便于扩展其他形式的接口。

同时，通过负载模拟装置为液体火箭发动机推力调节系统的作动提供负载扭矩，其接收信号是由实时计算机中仿真程序计算出的当前液体火箭发动机推力调节系统应承受的负载扭矩，其机械输出轴与液体火箭发动机推力调节系统实物的对应机械接口连接，以提供实际的扭矩负载。在收到仿真装置模拟的传感器信号、受到负载扭矩的情况下，推力调节系统计算作动量并执行作动。

通过实时计算机、液体火箭发动机仿真模型和接口板卡，为推力调节系统提供与真实发动机基本一致的工作环境。真实发动机与其推力调节系统之间的关联，主要是信号层次的关联和负载力矩的影响。

因此采用液体火箭发动机仿真模型实时计算液体火箭发动机当前状态，并将其模拟成传感器信号，通过接口板卡连接到推力调节系统的控制器上用于连接传感器引线的针脚，令控制器认为接收到的信号就是来自液体火箭发动机传感器的信号，并基于此信号计算控制量，并控制阀门组件动作。阀门组件的动作，即阀芯角位移，通过传感器和信号线传递给实时计算机，用于计算控制器下一次采样时(下一步长)的液体火箭发动机状态相关变量和接口输出，并且必须在控制器下一次采样时刻之前完成计算。

在这种状态下，控制器硬件及控制软件，无法辨认此状态变量是实时计算机给出的“虚拟”值，还是真实传感器测量真实液体火箭发动机的真实值。对于此控制器来说，此时整个半实物仿真装置就是“严格实时(Hard RealTime)”的，因此不会影响控制量的计算，能够获得与在真实液体火箭发动机上测试相同的控制结果。

如图3所示，为本发明公开的一种液体火箭发动机推力调节系统的半实物仿真装置实施例的结构示意图，所述系统可以包括：

半实物仿真装置，用于采集推力调节系统305实物的作动量给液体火箭发动机仿真程序303、由液体火箭发动机仿真程序303实时计算液体火箭发动机的当前状态并输出相应的信号至推力调节系统305实物和负载模拟装置304实物，以实现为推力调节系统305实物提供接近真实的运行环境。

具体的，半实物仿真装置包括：

上位机301，用于配置仿真程序，并在仿真程序与接口板卡302的I/O通道之间建立连接关系；

接口板卡302，用于采集推力调节系统305实物和负载模拟装置304实物的信号给仿真程序，及输出仿真程序的指定计算结果给推力调节系统305实物和负载模拟装置304实物；

实时计算机，用于运行预先构建的液体火箭发动机仿真程序303，计算出在推力调节系统305实物和负载模拟装置304实物数据激励下的液体火箭发动机的当前状态；

负载模拟装置304，用于基于传感器信号以模拟扭矩负载。

具体的，上述实施例提供的液体火箭发动机推力调节系统的半实物仿真装置的工作原理为，当需要对液体火箭发动机的推力调节系统进行调试、测试工作时，首先需要开发液体火箭发动机的仿真程序或基于已有的火箭发动机仿真程序进行修改、配置。

其中，在开发液体火箭发动机仿真程序时，可采用Simulink、Modelica、LabVIEW、AMESIM或C语言等开发手段。

液体火箭发动机仿真程序包含输送管路、涡轮泵、相关阀门、推力室等发动机组成部件的动态特性方程的数学模型。

在开发液体火箭发动机仿真程序时，通过涡轮泵试验、阀门试验、推力室点火试验等试验的相关结果数据对模型进行验证和标定以保证其计算结果的准确性。

此外，在构建液体火箭发动机仿真模型时，需要对模型的计算速度进行测试，并对部分数学模型进行实时化处理，确保其运算的实时性。

液体火箭发动机仿真模型最终封装成符合实时操作系统要求的链接库格式，满足在实时操作系统中运行的要求，优选地，采用LabVIEW RT作为半实物仿真装置中的实时操作系统。

具体的，可以通过上位机开发液体火箭发动机仿真程序。

另外，上位机还需要负责半实物仿真试验的配置、接口映射关系的定义、半实物仿真试验过程的监控、数据的显示、存储。优选地，采用NI公司的VeriStand软件作为上位机的基础管理软件，在此软件基础上配置液体火箭发动机仿真模型及模型之间、模型与硬件接口之间的映射关系，开发半实物仿真试验过程的监控界面，并完成数据的显示、存储等功能。

此后，可开展半实物仿真试验。

运行液体火箭发动机的仿真程序，计算出在当前外部数据激励下的液体火箭发动机状态变量。

具体的，在计算出在当前外部数据激励下的液体火箭发动机状态变量时，必须通过实时计算机进行计算，优选地，实时计算机中运行LabVIEW RT实时操作系统。

将在当前外部数据激励下计算得出的液体火箭发动机状态变量转换成符合传感器形式的电压值、电流值或数字量，并将其模拟成传感器信号，输出至推力调节系统。

具体的，需要通过接口板卡将这些信号输出至推力调节系统中用于连接传感器信号的指定电气针脚。

具体的，接口板卡安装在实时计算机中，优选地，采用PXI/PCI标准板卡。接口板卡主要提供模拟输入接口、模拟输出接口、数字输入接口、数字输出接口、CAN总线接口和RS485/422串口接口等常用接口；并且预留了多个PXI/PCI插槽，便于扩展其他形式的接口。

同时，通过负载模拟装置为液体火箭发动机推力调节系统的作动提供负载扭矩，其接收信号是由实时计算机中仿真程序计算出的当前液体火箭发动机推力调节系统应承受的负载扭矩，其机械输出轴与液体火箭发动机推力调节系统实物的对应机械接口连接，以提供实际的扭矩负载。在收到仿真装置模拟的传感器信号、受到负载扭矩的情况下，推力调节系统计算作动量并执行作动。

通过实时计算机、液体火箭发动机仿真模型和接口板卡，为推力调节系统提供与真实发动机基本一致的工作环境。

真实发动机与其推力调节系统之间的关联，主要是信号层次的关联和负载力矩的影响。

因此，采用液体火箭发动机仿真模型实时计算液体火箭发动机当前状态，并将其模拟成传感器信号，通过接口板卡连接到推力调节系统的控制器上用于连接传感器引线的针脚，令控制器认为接收到的信号就是来自液体火箭发动机传感器的信号，并基于此信号计算控制量，并控制阀门组件动作。

阀门组件的动作，即阀芯角位移，通过传感器和信号线传递给实时计算机，用于计算控制器下一次采样时(下一步长)的液体火箭发动机状态相关变量和接口输出，并且必须在控制器下一次采样时刻之前完成计算。

在这种状态下，控制器硬件及控制软件，无法辨认此状态变量是实时计算机给出的“虚拟”值，还是真实传感器测量真实液体火箭发动机的真实值。

对于此控制器来说，此时整个半实物仿真装置就是“严格实时(Hard RealTime)”的，因此不会影响控制量的计算，能够获得与在真实液体火箭发动机上测试相同的控制结果。

综上所述，本发明用“虚拟”的液体火箭发动机代替真实的液体火箭发动机，为推力调节系统提供与在真实发动机上相一致的工作环境。推力调节系统的研发技术人员可以基于本发明对推力调节系统进行大量的调试、测试等试验工作，尽量减少液体火箭发动机真实试验的次数，安全可靠、低成本的完成大部分推力调节系统的调试、测试工作。

本发明中“虚拟”的液体火箭发动机的状态变量信息由液体火箭发动机仿真模型计算得到，因此不依赖于传感器布置，只要在液体火箭发动机仿真模型开发时引入了相关的计算方程，并且在液体火箭发动机仿真模型封装时留出相应变量的接口，就能够在半实物仿真试验过程中获取到发动机的相关状态变量数据，便于开展对试验结果的分析。

半实物仿真装置能够存储试验过程中的数据，包括输入信号和计算得到的状态变量，将其记录为时域数据表格；并能够基于记录的数据精准的复现试验状态，便于开展迭代测试和回归测试。

本发明中的液体火箭发动机仿真模型为DLL格式的独立程序文件，可由Simulink/AMESim/SimulationX/C等多种仿真建模工具开发，便于替换或更新；如发动机设计方案或关键参数发生变更，可以方便的将此变更以更新进半实物仿真装置，并开展相关试验。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种液体火箭发动机推力调节系统的半实物仿真方法，其特征在于，包括：

对推力调节系统进行仿真测试时，基于实时计算机中的液体火箭发动机仿真程序实时计算液体火箭发动机的当前状态；

将表征所述液体火箭发动机的当前状态的状态变量转换为符合传感器形式的电压值、电流值或数字量，并将所述符合传感器形式的电压值、电流值或数字量模拟成传感器信号，通过接口板卡输出相应的信号至推力调节系统实物，以实现传感器信号的模拟；

基于所述液体火箭发动机的当前状态，通过所述接口板卡输出相应的信号至负载模拟装置实物，以实现负载扭矩的模拟；其中，所述负载模拟装置的机械输出轴与液体火箭发动机推力调节系统实物的对应机械接口连接；

所述推力调节系统实物基于传感器信号和负载扭矩执行推力调节作动；

基于所述接口板卡测量当前推力调节系统实物的作动状态，将其值传入液体火箭发动机仿真程序用于迭代计算。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于实时计算机中的液体火箭发动机仿真程序实时计算液体火箭发动机的当前状态包括：

开发预先构建的液体火箭发动机仿真程序；

基于接口板卡实现仿真程序与实物之间的数据交互；

运行所述预先构建的液体火箭发动机仿真程序，计算出在实物数据激励下的液体火箭发动机的当前状态。

3.一种液体火箭发动机推力调节系统的半实物仿真装置，其特征在于，包括：

半实物仿真装置，用于对推力调节系统进行仿真测试时，采集推力调节系统实物的作动量给液体火箭发动机仿真程序、由液体火箭发动机仿真程序实时计算液体火箭发动机的当前状态并输出相应的信号至推力调节系统实物和负载模拟装置实物，以实现为推力调节系统实物提供接近真实的运行环境；

其中，将表征所述液体火箭发动机的当前状态的状态变量转换为符合传感器形式的电压值、电流值或数字量，并将所述符合传感器形式的电压值、电流值或数字量模拟成传感器信号，通过接口板卡输出相应的信号至推力调节系统实物；所述负载模拟装置的机械输出轴与液体火箭发动机推力调节系统实物的对应机械接口连接。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述半实物仿真装置包括：

上位机，用于配置仿真程序，并在仿真程序与接口板卡的I/O通道之间建立连接关系；

接口板卡，用于采集推力调节系统实物和负载模拟装置实物的信号给仿真程序，及输出仿真程序的指定计算结果给推力调节系统实物和负载模拟装置实物；

实时计算机，用于运行预先构建的液体火箭发动机仿真程序，计算出在所述推力调节系统实物和负载模拟装置实物数据激励下的液体火箭发动机的当前状态。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括：

负载模拟装置，用于基于传感器信号以模拟扭矩负载。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述液体火箭发动机仿真程序包括：液体火箭发动机组成部件的动态特性方程及求解器。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述实时计算机包括：PXI/PCI总线接口。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述接口板卡为PXI/PCI标准板卡，安装在所述实时计算机的PXI/PCI插槽上。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述PXI/PCI标准板卡还包括多个预留PXI/PCI插槽。

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