基于LabVIEW的固沖發(fā)動機流量調(diào)節(jié)試驗系統(tǒng)開發(fā)

伍 琳

(中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009)

0 引言

固體火箭沖壓發(fā)動機具有能量高、結(jié)構(gòu)簡單、機動性好等特點，是新型戰(zhàn)術(shù)導彈的研究方向。其中，燃氣流量調(diào)節(jié)技術(shù)是目前國內(nèi)外研究的熱點，美國、俄羅斯、歐洲等國展開了大量研究，歐洲MBDA聯(lián)合研制的“流星”已成功應用該技術(shù)[1－2]。然而，國內(nèi)對該調(diào)節(jié)技術(shù)多停留在原理性、工作特性、數(shù)值模擬研究階段，工程應用研究缺乏試驗技術(shù)支持，平穩(wěn)、有效、大調(diào)節(jié)比的燃氣流量控制較難實現(xiàn)。

由于發(fā)動機對象的時變性、非線性等特性，流量調(diào)節(jié)控制器參數(shù)需要反復調(diào)試，從安全性、經(jīng)濟性考慮，控制參數(shù)的調(diào)試無法在發(fā)動機點火試驗中進行，只有借助半實物仿真試驗才能安全、有效的完成控制參數(shù)調(diào)試?；谏鲜鲈?，文中運用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了一套適用流量調(diào)節(jié)控制的地面試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備實時控制的半實物仿真試驗及點火試驗能力。

1 實現(xiàn)固沖發(fā)動機流量調(diào)節(jié)控制的試驗系統(tǒng)的建立

1.1 固沖發(fā)動機流量調(diào)節(jié)控制原理

新型導彈需要在大飛行范圍內(nèi)滿足多彈道機動飛行的要求，必須對燃氣發(fā)生器的燃氣流量進行控制，保持較好的空燃比，使導彈在不同的飛行高度下保持較高的比沖、推力[3]。在固沖發(fā)動機燃氣發(fā)生器和助推補燃室之間定義為流量調(diào)節(jié)艙，內(nèi)置流量調(diào)節(jié)裝置，包括調(diào)節(jié)板﹑伺服系統(tǒng)等，伺服系統(tǒng)由傳動系統(tǒng)、電機、電位計等組成。

其工作原理是:計算機根據(jù)導彈的飛行狀態(tài)計算出進入補燃室的空氣流量，并根據(jù)控制方案計算出所需的貧氧燃氣流量，然后由流量調(diào)節(jié)裝置通過伺服機構(gòu)改變閥門的開度，調(diào)節(jié)所需的燃氣流量。伺服電機控制齒輪傳動，調(diào)節(jié)閥門開度，電位計用于反饋調(diào)節(jié)軸轉(zhuǎn)動的角度，通過理論計算及試驗修正可以得出角度和燃氣發(fā)生器喉部面積以及壓力的對應關(guān)系，從而進行控制。由于燃氣流量不易直接測量，通常采用測量燃氣壓力進行控制、反饋和流量計算。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

流量調(diào)節(jié)控制試驗系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)是基礎(chǔ)與載體，主要由外圍電路、工控機及PXI機箱組成:1)外圍電路主要由壓力采集電路、數(shù)字量輸入、輸出電路、電源電路、光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)等組成。2)PXI機箱主要選擇多功能數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字接口轉(zhuǎn)換卡、高速采集卡等。

圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入部分主要包括:燃氣發(fā)生器和補燃室的壓力、流量調(diào)節(jié)閥的閥位反饋、外觸發(fā)的TTL電平信號、控制電機的電流采集等。輸出部分包括:調(diào)節(jié)閥控制電路、電機供電等。

工控機與NI的 PXI/1042Q八槽機箱的通訊連接，采用PCI8336-PXI8336零槽控制、MIX-4高帶寬連接，保證200m內(nèi)的抗干擾、高速通訊[4]。流量調(diào)節(jié)裝置需要穩(wěn)定可靠的電源供電，電源選擇了美國安杰倫公司的Agilent N5700系列直流電源兩臺。該電源具有過流、過壓保護和欠壓極限保護。計算機選配的PXI-6229多功能數(shù)據(jù)采集卡可完成系統(tǒng)觸發(fā)、閥位給定、閥位反饋、壓力測量等功能。PXI-6132高速采集卡采集高頻的電流信號，用于監(jiān)控電機輸出力矩。由于該系統(tǒng)可采用手動觸發(fā)和自動觸發(fā)，在手動觸發(fā)時，由DO輸出1路TTL電平信號，作為其他測控平臺的同步信號;在自動觸發(fā)時，其他平臺輸出的幅值為0～5V的TTL電平時，通過6N137光電隔離后輸入DI。其AO輸出閥位給定信號，即正負電壓信號控制流量調(diào)節(jié)裝置電機進行位置控制，同時AI采集DI兩通道的TTL電平信號、閥位反饋信號和燃氣壓力信號。

1.3 試驗系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容，直接影響整個控制系統(tǒng)的效率。本系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境選用Lab-VIEW圖形化的編程語言，具有直觀、高效的特點[5－6]。程序利用板卡時鐘保證精確定時觸發(fā)，采用并行處理，模塊化設(shè)計，保證各模塊可單獨修改、調(diào)試、移植。由主界面程序構(gòu)成結(jié)構(gòu)框架，各子模塊分別完成特定的功能。系統(tǒng)軟件由自檢程序模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊、通道校準模塊、調(diào)度管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、報告生產(chǎn)模塊組成。調(diào)度管理模塊用于實時控制發(fā)動機試驗時的壓力采集、控制信號輸出、模型換算，以及接口通信等管理。

圖2 試驗控制主程序

圖2為試驗控制主程序框圖。試驗流程為:首先，自檢模塊對板卡、電源自檢，再初始化所有板卡，調(diào)用系統(tǒng)設(shè)置模塊為各接口驅(qū)動函數(shù)附值，分配內(nèi)存;然后，啟動壓力采集程序，按設(shè)置手動或自動觸發(fā)控制程序，輸出控制曲線，同時采集壓力、電壓、電流信號;試驗結(jié)束，退出控制主程序，釋放板卡占用資源。并用數(shù)據(jù)處理模塊完成數(shù)據(jù)的分析、處理。

2 系統(tǒng)的控制算法與實現(xiàn)

系統(tǒng)控制模型如圖3所示，系統(tǒng)輸入為燃氣發(fā)生器壓力給定信號，與實測壓力或閉環(huán)調(diào)試時的換算壓力進行比較后，作為誤差輸入，經(jīng)控制器調(diào)節(jié)后輸出控制電壓到執(zhí)行機構(gòu)，調(diào)節(jié)閥位置改變使燃氣發(fā)生器喉部面積改變，引起燃氣發(fā)生器壓力改變，由傳感器測出壓力值作為輸入反饋。

圖3 控制模型結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)采用時間最優(yōu)控制和比例積分PI控制的雙模控制算法，PI控制中同時引入微分先行環(huán)節(jié)。時間最優(yōu)控制可加快調(diào)節(jié)作用，PI控制可保證控制精度、消除穩(wěn)態(tài)誤差，而反饋引入微分控制可以彌補PI控制中無微分控制的不足，改善動態(tài)性能[7－8]。

時間最優(yōu)控制:

式中:E 為時間最優(yōu)控制偏差門限，Rk、Yk、ek、Uk為第k次采樣時的設(shè)定值、測試值、誤差值、計算機輸出值，Umax為計算機輸出飽和值。

PI控制中，考慮控制對象的慣性行為，防止調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)振蕩，增加了穩(wěn)態(tài)控制模式。其原理是:利用給定壓力和實測壓力的偏差值判斷控制器輸出狀態(tài)，當偏差在某一范圍內(nèi)時，取消PI控制，保持輸出值不變，當偏差大于這一范圍時，按正常的PI算法進行調(diào)節(jié)。

PI控制:

式中:E1為預定的門限值，該值與控制對象的慣性有關(guān)，由試驗確定最終值。Kp、Ti為控制器的比例系數(shù)，積分時間常數(shù)。

測試壓力Y與反饋壓力Yf之間引入壓力的速率反饋環(huán)節(jié)，以改善動態(tài)響應能力。方程為:

拉氏反變換:

離散化整理得:

式中:A、B、C 為方程整理系數(shù)，T、Td、γ 分別為采樣周期、軟反饋時間常數(shù)、濾波系數(shù)，根據(jù)采樣周期，結(jié)合試驗給出反饋時間常數(shù)和濾波系數(shù)。

3 程序優(yōu)化與試驗效果

3.1 實時控制的優(yōu)化

本系統(tǒng)控制周期短，而流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)慣性時間長，控制周期與慣性環(huán)節(jié)存在速度匹配問題?？刂浦芷谶^長，不滿足實時控制要求;過短，系統(tǒng)容易出現(xiàn)不穩(wěn)定。因此對軟件任務結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，滿足實時控制是關(guān)鍵。

根據(jù)LabVIEW的任務特性，在寫入寫出數(shù)據(jù)文件時需進行尋址工作，包括打開文件任務、寫數(shù)據(jù)、關(guān)閉文件、清除任務，若每采集一個點均進行數(shù)據(jù)存盤操作，勢必造成輸出控制時還未完成數(shù)據(jù)點的存儲，采集時間越長，累計任務越多，程序越慢，無法達到實時控制的效果。本系統(tǒng)采用了緩存技術(shù)優(yōu)化設(shè)計。具體方法如圖4:在一個控制周期 T內(nèi)，將所有采集的數(shù)據(jù)放入緩存區(qū)，一次取出多個數(shù)據(jù)完成控制算法疊代，一次性進行多個數(shù)據(jù)點的寫盤，即多個數(shù)據(jù)的寫入只需要執(zhí)行一次尋址等操作;其余時間作為顯示或閑置狀態(tài)，到一個周期T完成時再輸出一個控制值，這樣既滿足了控制周期內(nèi)的輸出要求，又滿足了所有工作時間內(nèi)的數(shù)據(jù)采集、存儲要求。

圖4 控制周期內(nèi)的任務分配

3.2 同步性優(yōu)化

本系統(tǒng)工作時，需要接收其他設(shè)備發(fā)出的同步脈沖信號，定時精度要求較高。原程序中脈沖信號采用DI口查詢方式，觸發(fā)布爾量任務，在不同的循環(huán)框之間進行布爾量任務的傳遞并控制。布爾量判斷耗時50～100ms，其他任務的判斷耗時性同樣在幾十毫秒的量級，無法滿足同步性控制要求。優(yōu)化后的程序，利用定時/計數(shù)器功能，對脈沖信號采用計數(shù)器端口的觸發(fā)方式。通過計數(shù)器端口觸發(fā)，對脈沖上升沿跳變進行事件記錄，利用板卡自身硬件進行定時，其耗時為幾十微妙，精確延時后觸發(fā)控制程序，可滿足了和其他設(shè)備的同步工作要求。

3.3 試驗效果

為了提高點火試驗的安全性和控制效果，需要在半實物仿真試驗中對參數(shù)進行反復調(diào)試，并在冷氣試驗中進行參數(shù)驗證，才能在發(fā)動機點火試驗中使用。燃氣發(fā)生器慣性時間較長、非線性較強，且受到裝藥、容器空腔、調(diào)節(jié)閥間隙積碳等多種因素影響，控制器參數(shù)調(diào)節(jié)不宜過快，否則系統(tǒng)容易出現(xiàn)振蕩，可考慮引入動態(tài)變化。為解決非線性問題，系統(tǒng)采用了分段控制，分別調(diào)節(jié)各段的控制器比例系數(shù)。在階躍響應下，超調(diào)量小于5%，上升時間小于0.5，分段函數(shù)內(nèi)均能實現(xiàn)，且滿足控制速度的要求。

圖5為某型發(fā)動機流量調(diào)節(jié)長時間點火曲線，壓力、時間經(jīng)歸一化處理?？刂魄€為壓力的階躍曲線、梯形波和正弦曲線組成，在壓力最大范圍內(nèi)進行流量控制，滿足較大流量的調(diào)節(jié)比。由圖可看出，在t=0.25 ～0.33 段內(nèi)的階躍曲線響應跟隨緩慢，對 t=0.33開始的斜坡響應和t=0.65 開始的正弦波響應跟隨良好。梯形波壓力在0.85以上跟隨情況較差，正弦波波峰處壓力為0.3時，顯示出有振蕩現(xiàn)象。與控制參數(shù)表對應，壓力在 P=0.3、P=0.85 兩處為分段控制點，不同分段函數(shù)內(nèi)控制參數(shù)的變化引起控制系統(tǒng)在分段函數(shù)點略有振蕩突變現(xiàn)象，但不會引起系統(tǒng)振蕩，影響不大。燃氣壓力增大是閥門逐漸關(guān)閉的過程，壓力大于0.85時，燃氣發(fā)生器處于高壓狀態(tài)，非線性增強，控制機構(gòu)容易失穩(wěn)，因此該分段內(nèi)的控制參數(shù)調(diào)節(jié)較慢，只能基本滿足跟隨。給定壓力曲線的高壓保持時間較短是出于對發(fā)生器結(jié)構(gòu)保護的考慮。壓力從高壓到低壓是閥門逐漸打開的過程，梯形波曲線下降到P=0.3的直線段可看作負響應過程，最后的結(jié)束段曲線也是一個負響應，曲線跟隨均比較緩慢，可見，控制系統(tǒng)的正負響應特性并不完全一致，這主要受藥燃燒、間隙積碳等影響。

試驗分析結(jié)果:1)階躍響應調(diào)試后的控制參數(shù)在斜坡響應中動態(tài)性能表現(xiàn)更好;2)正弦曲線響應略有相位差;3)負響應跟隨略慢于正響應;4)分段控制點有跳變現(xiàn)象，高壓段曲線跟隨和控制穩(wěn)定度較差。

圖5 長時間流量調(diào)節(jié)試驗工作曲線

4 結(jié)束語

在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下，文中選用高精度的測量元件和先進的測控方法，開發(fā)了流量調(diào)節(jié)控制地面試驗系統(tǒng)，總結(jié)如下:

1)該系統(tǒng)利用NI板卡時鐘的精確定時及程序優(yōu)化，匹配模型慣性，滿足了控制的同步性要求，實現(xiàn)了對象的實時控制;

2)文中同時采用時間最優(yōu)和PI控制的雙模控制算法，并在PI控制器中加入微分先行環(huán)節(jié)，在保證動態(tài)性能良好的前提下實現(xiàn)了快速穩(wěn)定控制;

3)該系統(tǒng)已投入應用，滿足發(fā)動機流量調(diào)節(jié)半實物仿真試驗、冷氣試驗、點火試驗要求，具有良好的擴展性和實用價值。為流量調(diào)節(jié)模型探索和控制器優(yōu)化提供了有力的試驗技術(shù)支持。

[1]Ronald S Fry.A century of ramjet propulsion technology evolution[J]. Joumal of Propulsion and Power，2004，20(1):27－58.

[2]Wilson R，Linage C，Hewitt P. The evolution of ramjet missile propulusion in the U.S. and where we are，AIAA 96 －3148[R].1996.

[3]何洪慶，陳旭揚，楊貴寧，等.固沖發(fā)動機流量調(diào)節(jié)技術(shù)——流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計[J].戰(zhàn)術(shù)導彈技術(shù)，2009(2):36－40.

[4]NI PCI/PXI Series User Manual[M].National Instrument Corporation，2004.

[5]LabVIEW8.20程序設(shè)計從入門到精通[M].北京:清華大學出版社，2007.

[6]LabVIEW Measurements Manual[M].National Instrument Corporation，2004.

[7]李傳江，馬廣富.最優(yōu)控制[M].北京:科學出版社，2011.

[8]董景新，吳秋平.現(xiàn)代控制理論與方法概論[M].北京:清華大學出版社，2007.