CN114019826B - 一种固体姿控动力系统控制器半实物仿真测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体姿控动力系统控制器半实物仿真测试系统及方法，测试系统包括固体姿控动力系统点火控制器和基于PXI平台的实时数据仿真测试系统。所述基于PXI平台的实时数据仿真测试系统设置有用于和固体姿控动力系统点火控制器进行数据交换的仿真模型。固体姿控动力系统点火控制器设置点火控制算法，用于实现固体姿控动力系统中气体发生器点火控制。根据固体姿控动力系统点火控制器和点火控制算法的不同研制阶段和需求，PXI平台的实时数据仿真测试系统配备有手动控制模式、半自动控制模式和自动控制模式，通过对固体姿控动力系统点火控制器进行半实物仿真测试，验证固体姿控动力系统点火控制器点火时序和点火控制算法的正确性。
Description
技术领域
本发明涉及固体姿控发动机技术领域，具体涉及一种固体姿控动力系统控制器半实物仿真测试系统及方法。
背景技术
在固体姿控动力系统中，通常由气体发生器产生高温高压气体，最后通过喷管来实现动力输出，当固体姿控动力系统中气体压力较大时，控制器不会给气体发生器发送点火信号。当喷管作用后，固体姿控动力系统内气体压力下降，压力或压力变化满足基于压力的点火控制算法中的设置条件时，控制器给气体发生器发送点火信号，气体发生器工作，产生大量高温高压气体，使固体姿控动力系统内气体压力升高。为了评估控制器中控制算法的可行性及控制算法与控制器硬件的匹配性，需要对控制器进行试验验证。只进行计算机仿真试验，难以模拟使用环境的影响。进行冷气试验或热试车试验成本高而且存在安全风险。
半实物仿真技术为上述问题提供了新的解决途径，通过半实物仿真技术可以对控制器硬件和控制算法进行重复性验证，使得到结果更可靠。可以模拟各类极限喷管工作时序、压力传感器干扰、压力传感器失效、点火失败等特殊工况下控制器的工作可靠性，同时降低试验成本，减少安全风险。
发明内容
针对固体姿控动力系统点火控制器中点火算法纯计算机仿真，难以模拟真实环境的干扰和控制器硬件的匹配，及进行冷气试验或热试车的成本和安全问题，本发明提出了一种固体姿控动力系统点火控制器半实物仿真测试系统及使用方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种固体姿控动力系统控制器半实物仿真测试系统，包括固体姿控动力系统点火控制器和基于PXI平台的实时数据仿真测试系统；
基于PXI平台的实时数据仿真测试系统设置有用于和固体姿控动力系统点火控制器进行数据交换的仿真模型，固体姿控动力系统点火控制器设置点火控制算法，用于实现固体姿控动力系统中气体发生器点火控制；
仿真模型包括有点火充气模型、压力变送器干扰模型、点火失败判定模型和喷管启闭模型，压力变送器干扰模型包含脉冲干扰模型和随机干扰模型；
点火充气模型用于接收气体发生器点火信号，获取固体姿控动力系统气体发生器充气工作过程中压力和温度的变化规律和数值；
脉冲干扰模型用于在一定概率下，对PXI平台的实时数据仿真测试系统向固体姿控动力系统点火控制器输出的压力数据增加一个规定范围内的脉宽随机、干扰强度随机的数值；
随机干扰模型用于对PXI平台的实时数据仿真测试系统向固体姿控动力系统点火控制器输出的压力数据增加一个规定范围内的随机值；
点火失败判定模型用于在收到点火信号，判定为点火失败后，控制气体发生器不工作，且固体姿控动力系统内压力和温度数值不变；
喷管启闭模型用于接收喷管启闭信号，计算固体姿控动力系统在喷管排气过程中压力和温度的变化规律和数值。
作为上述方案的优选，基于PXI平台的实时数据仿真测试系统包括计算机和实时数据仿真服务器；
所述计算机用于建立点火充气模型、脉冲干扰模型、随机干扰模型、点火失败判定模型及喷管启闭模型，并将建立好的点火充气模型、脉冲干扰模型、随机干扰模型、点火失败判定模型及喷管启闭模型下载到实时数据仿真服务器；接收用户输入操作，并将运算结果发送到实时数据仿真服务器；以及接收实时数据仿真服务器的反馈数据，并在计算机操作界面上进行实时显示；
所述实时数据仿真服务器上安装有CAN通信接口、D/A模拟量输出接口和A/D模拟量监控接口，用于运算从计算机下载的点火充气模型、脉冲干扰模型、随机干扰模型、点火失败判定模型及喷管启闭模型，并通过所述CAN通信接口、D/A模拟量输出接口和A/D模拟量监控接口与固体姿控动力系统点火控制器进行通讯和数据交互。
作为上述方案的优选，基于PXI平台的实时数据仿真测试系统中设置有使用LabVIEW软件编辑三种模式的操作界面，三种模式为手动控制模式、半自动控制模式、自动控制模式。
作为上述方案的优选，固体姿控动力系统点火控制器中设置有基于压力的点火控制算法。
一种固体姿控动力系统控制器半实物仿真测试方法，包括：
根据固体姿控动力系统数学模型在中PXI平台的实时数据仿真测试系统中建立仿真模型，仿真模型接收喷管启闭信号和点火信号；
在PXI平台的实时数据仿真测试系统中计算姿控系统高压区压力和低压区压力，并根据设置添加各种干扰后，通过D/A输出，作为仿真的压力传感器信号输入到固体姿控动力系统点火控制器内；
固体姿控动力系统点火控制器根据采集的压力信号按照控制算法进行计算后，输出点火信号，PXI平台的实时数据仿真测试系统通过A/D识别控制器发出的点火信号，并将此点火信号输入至仿真模型，按此构成半实物仿真的闭环工作流程
由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：
1、本申请通过使用固体姿控动力系统控制器进行试验，与真实试验相比，使用过程未使用高温或高压气体，提高了经济性和安全性；
2、本申请能够对固体姿控动力系统点火控制器研发的不同阶段进行相对应的仿真；
3、本申请能够对工作过程可能出现的特殊情况和异常情况进行模拟，能对固体姿控动力系统点火控制器进行充分验证；
4、本申请受环境、资源影响小，能够大幅提高控制器研制和控制算法开发的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明固体姿控动力系统控制器半实物仿真测试系统框架图；
图2为本发明固体姿控动力系统控制器半实物仿真测试系的模块图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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，本发明提供一种固体姿控动力系统控制器半实物仿真测试系统，包括：基于PXI平台的实时数据仿真测试系统和固体姿控动力系统点火控制器，所述基于PXI平台的实时数据仿真测试系统设置有用于和固体姿控动力系统点火控制器进行数据交换的仿真模型。固体姿控动力系统点火控制器设置点火控制算法，用于实现固体姿控动力系统中气体发生器点火控制。
基于PXI平台的实时数据仿真测试系统包括计算机和实时数据仿真服务器。其中计算机用于建立点火充气模型、脉冲干扰模型、随机干扰模型、点火失败判定模型及喷管启闭模型，并将建立好的点火充气模型、脉冲干扰模型、随机干扰模型、点火失败判定模型及喷管启闭模型到实时数据仿真服务器，所述计算机可以接收用户输入操作，并将运算结果发送到实时数据仿真服务器，并可接受实时数据仿真服务器的反馈数据，并在计算机操作界面上进行实时显示。计算机上安装有Matlab仿真软件用于仿真建模，LabVIEW软件用于数据管理和操作界面编辑；有用于和固体姿控动力系统点火控制器进行数据交换的仿真模型，模型包括点火充气模型、压力变送器干扰模型、点火失败判定模型和喷管启闭模型，压力变送器干扰模型包含脉冲干扰模型和随机干扰模型。
点火充气模型：接受气体发生器点火信号，获取固体姿控动力系统气体发生器充气工作过程中压力和温度的变化规律和数值；
脉冲干扰模型：一定概率下，对PXI平台的实时数据仿真测试系统向固体姿控动力系统点火控制器输出的压力数据，增加一个规定范围内的脉宽随机、干扰强度随机的数值；
随机干扰模型：对PXI平台的实时数据仿真测试系统向固体姿控动力系统点火控制器输出的压力数据，增加一个规定范围内的随机值；
点火失败判定模型：收到点火信号后，判定为点火失败，气体发生器不工作，固体姿控动力系统内压力和温度数值不变；
喷管启闭模型：接受喷管启闭信号，计算固体姿控动力系统在喷管排气过程中压力和温度的变化规律和数值；
实时数据仿真服务器上安装有CAN通信接口、D/A模拟量输出接口和A/D模拟量监控接口,运算从计算机下载的点火充气模型、脉冲干扰模型、随机干扰模型、点火失败判定模型及喷管启闭模型，并通过所述CAN通信接口、D/A模拟量输出接口和A/D模拟量监控接口与固体姿控动力系统点火控制器进行通讯和数据交互。
固体姿控动力系统点火控制器设置点火控制算法(点火控制算法可采用现有技术)，用于实现固体姿控动力系统中气体发生器点火控制。
如图2所示，在PXI平台的实时数据仿真测试系统中使用LabVIEW软件编辑三种模式的操作窗口，三种模式为手动控制模式、半自动控制模式、自动控制模式；
手动控制模式：手动控制模式中含有脉冲干扰模型和随机干扰模型，可以手动设置干扰强度、干扰脉宽和脉冲占空比等，输出压力靠手动来调节，将压力信号输出给固体姿控动力系统点火控制器，接受固体姿控动力系统点火控制器反馈的点火信号，判断点火是否正常。
手动控制模式适用于固体姿控动力系统点火控制器开发早期，对于固体姿控动力系统点火控制器中的工作流程进行针对性测试，可以通过调节手动控制低压区压力、高压区压力1及高压区压力2。同时也可以手动对高压区压力P1和P2增加随机干扰和脉冲干扰；
半自动控制模式：半自动控制模式中含有点火充气模型、点火失败判定模型、喷管启闭模型、脉冲干扰模型和随机干扰模型，脉冲干扰模型和随机干扰模型中的干扰强度、干扰脉宽和脉冲占空比等需要手动调节，点火充气模型、点火失败判定模型和喷管启闭模型按钮控制，自动进行计算，将压力信号输出给固体姿控动力系统点火控制器，接受固体姿控动力系统点火控制器反馈的点火信号，判断点火是否正常，其中喷管启闭模型中的启闭时序会反馈给控制器用作计算。
半自动控制模式主要用于固体姿控动力系统点火控制器的测试阶段，检验固体姿控动力系统点火控制器对于姿控系统正常工况和异常工况下的应对措施是否与设计相同，构成固体姿控动力系统点火控制器与PXI平台的实时数据仿真测试系统的半实物仿真闭环测试系统，半自动控制模式的优势是可以方便的定义各种干扰和异常情况组合，能够对控制算法响应进行全面测试；
自动控制模式：自动控制模式导入文件可分为两中，电压变化曲线和压力变化曲线，如果导入的为压力变化曲线则直接进行仿真运算，若导入的为电压变化曲线，需要输入换算系数转换为压力变化曲线后进行仿真运算。
自动控制模式适用于固体姿控动力系统点火控制器开发后期，固体姿控动力系统点火控制器验证基本成熟后，通过导入已有的压力变化曲线(地面试验实测的压力或已经设计好的各种工况对应的压力曲线)，将压力曲线按照时序输入至固体姿控动力系统点火控制器中，观察基于压力的点火控制算法反馈的点火时间，是否与试验或设计的点火时间匹配，进而判断固体姿控动力系统点火控制器是否工作正常，自动控制模式的优势是可以通过导入已有数据进行自动运算，运算结果与标准结果自动比对，以便发现控制器或控制软件的个性缺陷。
本实施例还提供一种固体姿控动力系统控制器半实物仿真测试方法，包括：
根据固体姿控动力系统数学模型在中PXI平台的实时数据仿真测试系统中建立仿真模型，仿真模型接收喷管启闭信号和点火信号；
在PXI平台的实时数据仿真测试系统中计算姿控系统高压区压力和低压区压力，并根据设置添加各种干扰后，通过D/A输出，作为仿真的压力传感器信号输入到固体姿控动力系统点火控制器内；
固体姿控动力系统点火控制器根据采集的压力信号按照控制算法进行计算后，输出点火信号，PXI平台的实时数据仿真测试系统通过A/D识别控制器发出的点火信号，并将此点火信号输入至仿真模型，按此构成半实物仿真的闭环工作流程。
本发明具有以下优点：
1、可以对固体姿控动力系统点火控制器研发的不同阶段进行相对应的仿真；
2、可以对工作过程可能出现的特殊情况和异常情况进行模拟，能对固体姿控动力系统点火控制器进行充分验证；
3、本发明受环境、资源影响小，能够大幅提高控制器研制和控制算法开发的效率；
4、与真实试验相比，本发明在使用过程未使用高温或高压气体，提高了经济性和安全性。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种固体姿控动力系统控制器半实物仿真测试系统，其特征在于：包括固体姿控动力系统点火控制器和基于PXI平台的实时数据仿真测试系统；
基于PXI平台的实时数据仿真测试系统设置有用于和固体姿控动力系统点火控制器进行数据交换的仿真模型，固体姿控动力系统点火控制器设置点火控制算法，用于实现固体姿控动力系统中气体发生器点火控制；
仿真模型包括有点火充气模型、压力变送器干扰模型、点火失败判定模型和喷管启闭模型，压力变送器干扰模型包含脉冲干扰模型和随机干扰模型；
点火充气模型用于接收气体发生器点火信号，获取固体姿控动力系统气体发生器充气工作过程中压力和温度的变化规律和数值；
脉冲干扰模型用于在一定概率下，对PXI平台的实时数据仿真测试系统向固体姿控动力系统点火控制器输出的压力数据增加一个规定范围内的脉宽随机、干扰强度随机的数值；
随机干扰模型用于对PXI平台的实时数据仿真测试系统向固体姿控动力系统点火控制器输出的压力数据增加一个规定范围内的随机值；
点火失败判定模型用于在收到点火信号，判定为点火失败后，控制气体发生器不工作，且固体姿控动力系统内压力和温度数值不变；
喷管启闭模型用于接收喷管启闭信号，计算固体姿控动力系统在喷管排气过程中压力和温度的变化规律和数值；
基于PXI平台的实时数据仿真测试系统中设置有使用LabVIEW软件编辑三种模式的操作界面，三种模式为手动控制模式、半自动控制模式、自动控制模式；
测试方法，包括：
根据固体姿控动力系统数学模型在PXI平台中的实时数据仿真测试系统中建立仿真模型，仿真模型接收喷管启闭信号和点火信号；
在PXI平台的实时数据仿真测试系统中计算姿控系统高压区压力和低压区压力，并根据设置添加各种干扰后，通过D/A输出，作为仿真的压力传感器信号输入到固体姿控动力系统点火控制器内；
固体姿控动力系统点火控制器根据采集的压力信号按照控制算法进行计算后，输出点火信号，PXI平台的实时数据仿真测试系统通过A/D识别控制器发出的点火信号，并将此点火信号输入至仿真模型，按此构成半实物仿真的闭环工作流程。
2.根据权利要求1所述固体姿控动力系统控制器半实物仿真测试系统，其特征在于：基于PXI平台的实时数据仿真测试系统包括计算机和实时数据仿真服务器；
所述计算机用于建立点火充气模型、脉冲干扰模型、随机干扰模型、点火失败判定模型及喷管启闭模型，并将建立好的点火充气模型、脉冲干扰模型、随机干扰模型、点火失败判定模型及喷管启闭模型下载到实时数据仿真服务器；接收用户输入操作，并将运算结果发送到实时数据仿真服务器；以及接收实时数据仿真服务器的反馈数据，并在计算机操作界面上进行实时显示；
所述实时数据仿真服务器上安装有CAN通信接口、D/A模拟量输出接口和A/D模拟量监控接口，用于运算从计算机下载的点火充气模型、脉冲干扰模型、随机干扰模型、点火失败判定模型及喷管启闭模型，并通过所述CAN通信接口、D/A模拟量输出接口和A/D模拟量监控接口与固体姿控动力系统点火控制器进行通讯和数据交互。
3.根据权利要求1所述固体姿控动力系统控制器半实物仿真测试系统，其特征在于：固体姿控动力系统点火控制器中设置有基于压力的点火控制算法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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