CN110554714A - 火箭发动机储箱压力分布式闭环调节***及方法 - Google Patents

Abstract

为了解决现有的储箱压力增压方式成本高、控制精度低以及可靠性不高的技术问题，本发明提供了一种基于Linux***的火箭发动机储箱压力分布式闭环调节方法。本发明采用多个不同口径的增压电磁阀组和孔板组成的增压孔板矩阵进行增压，简单可靠、成本更低；基于工业以太网的分布式控制方式，采用上、下位机的控制模式，由上位机发出增压控制指令并实时监控增压过程，由下位机执行增压控制指令，控制增压电磁阀的开关动作，实现远程化、分布式、网络化的储箱压力信号采集和增压电磁阀控制，上位机的增压控制指令下发到下位机后，即使上位机出现故障或者网络通讯出现故障，下位机仍然能够正常运行完成增压，不会受到故障的影响，可靠性高。

Description

火箭发动机储箱压力分布式闭环调节***及方法

技术领域

本发明涉及一种火箭发动机储箱压力分布式闭环调节方法。

背景技术

在火箭发动机试验中，试验台储箱中存放的发动机燃料，需要经过箱压增压控制***的增压后，输送至被试验发动机。因此，发动机试验时，对燃料的储箱箱压的控制精度和可靠性具有很高的要求，如果不能将箱压稳定控制在设定的目标范围内，可能会造成发动机试验燃料的入口压力达不到发动机点火试验要求的压力，或者在设定的目标压力周围波动，进而会导致发动机试验目的达不到，严重时甚至会损坏发动机产品，使试验失败。因此，精确控制储箱压力，保证箱压的稳定，对发动机试验的成败起着决定性的作用。

目前，国内外火箭发动机试验的地面试验台的储箱压力增压模式主要有两种方法，第一种是基于手动调节阀的人工手动增压模式，这种方法优点是能够实现箱压的大范围调节,比较适应于短程且对箱压控制精度和实时性要求不高的试验,缺点是动态特性差、控制精度低、对人员的操作技能要求高，且操作人员会近距离接触高压气源存在巨大的安全隐患；第二种是采用减压器+薄膜调节阀的集中式增压控制方式，优点是易实现长时间平稳压力控制，比较适宜于大推力发动机长程试验，缺点是***成本较高、动态特性差、可靠性受调节阀和控制***结构的影响大，不能适应发动机变工况变箱压试验要求。

发明内容

为了解决现有的储箱压力增压方式成本高、控制精度低以及可靠性不高的技术问题，本发明提供了一种基于Linux***的火箭发动机储箱压力分布式闭环调节方法。

本发明的技术方案是：

火箭发动机储箱压力分布式闭环调节***，用于对火箭发动机的M路储箱增压；其特殊之处在于：包括M个增压***和一个增压控制***；每个增压***对应一路待增压储箱；所有增压***共用所述增压控制***；

单个增压***包括气瓶、手阀、设置在待增压储箱内的压力传感器、增压管路、口径不同的N个孔板以及口径不同的N个增压电磁阀；N≥M；N个增压电磁阀的一端均通过增压管路与气瓶连接，N个增压电磁阀的另一端分别与N个孔板的一端连接，N个孔板的另一端均与手阀的一端连接，手阀的另一端通过增压管路与待增压储箱的进气口相连；每个增压电磁阀的口径与与其串连的孔板的口径一致；

增压控制***包括中心控制机、网络交换机、压力调节计算机；中心控制机与压力调节计算机通过网络交换机相互通讯；压力调节计算机与M个增压***的压力传感器和增压电磁阀均相连；

中心控制机上装载有上位机控制程序，所述上位机控制程序用于根据外部输入的目标压力值P1以及选定的增压电磁阀生成增压控制指令，并发送至压力调节计算机；

压力调节计算机上装载有下位机控制程序，所述下位机控制程序用于实现以下步骤：

1)接收所述增压控制指令；

2)解析所述增压控制指令，获取所述目标压力值P1和选定的增压电磁阀信息；

3)实时采集压力传感器的反馈信号，根据所述反馈信号获取待增压储箱内的实际压力值P2，并将实际压力值P2反馈至所述中心控制机；

4)闭环调节：

每隔设定时间，计算一次实际压力值P2与目标压力值P1的压力偏差值P3，并将压力偏差值P3与预先设定的阈值范围进行比较，若压力偏差值P3小于阈值范围的下限时，发出电磁阀开指令，控制所述选定的增压电磁阀打开，进行储箱的增压；若压力偏差值P3大于阈值范围的上限，发出电磁阀关指令，控制所述选定的增压电磁阀关闭，储箱增压停止。

进一步地，阈值范围为[-0.01,0.01]。

进一步地，中心控制机与压力调节计算机的数据传输协议为基于TCP/IP协议。

进一步地，压力调节计算机采用Linux平台上的POSIX多线程架构完成多任务处理。

进一步地，增压电磁阀、孔板和增压管路之间的连接采用法兰连接。

本发明还提供了一种基于上述火箭发动机储箱压力分布式闭环调节***实现火箭发动机储箱压力分布式闭环调节的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1，开启中心控制机、压力调节计算机和网络交换机，确认中心控制机、压力调节计算机工作和通讯正常；

步骤2，开启储箱内压力传感器的供电电源；

步骤3，启动压力调节计算机上装载的下位机控制程序，启动中心控制机上装载的上位机控制程序；

步骤4，在上位机控制程序的软件界面中，设定储箱增压的目标压力值P1，并选定将要使用的增压电磁阀，生成增压控制指令；

步骤5，将步骤4生成的增压控制指令下载到压力调节计算机中；

步骤6，压力调节计算机解析所述增压控制指令，获取所述目标压力值P1和选定的增压电磁阀信息；

步骤7，压力调节计算机实时采集压力传感器的反馈信号，根据所述反馈信号获取待增压储箱内的实际压力值P2，并将实际压力值P2反馈至所述中心控制机；

步骤8，压力调节计算机进行闭环调节：

每隔设定时间，计算一次实际压力值P2与目标压力值P1的压力偏差值P3，并将压力偏差值P3与预先设定的阈值范围进行比较，若压力偏差值P3小于阈值范围的下限时，发出电磁阀开指令，控制所述选定的增压电磁阀打开，进行储箱的增压；若压力偏差值P3大于阈值范围的上限，发出电磁阀关指令，控制所述选定的增压电磁阀关闭，储箱增压停止。

进一步地，在步骤8进行的过程中，若压力调节计算机收到中心控制机发出的停止增压指令，压力调节计算机会发出电磁阀关指令，控制所选定的增压电磁阀关闭，储箱增压停止。

进一步地，在步骤4中，若需要快速增压，则选定全部增压电磁阀或大部分增压电磁阀；若对增压时间无要求，或者增压时间可以较长，则选定一个增压电磁阀或者少部分增压电磁阀。

本发明的有益效果：

1.增压方式简单可靠、成本低

本发明采用多个不同口径的增压电磁阀组和孔板组成的增压孔板矩阵进行增压，由于多个电磁阀的价格也比一台调节阀的价格低很多，且电磁阀相比调节阀，在使用成熟度和可靠性上也要高很多，因此，与传统采用调节阀的增压方式相比，本发明更加简单可靠、成本更低。

2.控制方式可靠、灵活、精度高

本发明采用基于工业以太网的分布式控制方式，采用上、下位机的控制模式，由上位机发出增压控制指令并实时监控增压过程，由下位机执行增压控制指令，控制增压电磁阀的开关动作，实现远程化、分布式、网络化的储箱压力信号采集和增压电磁阀控制；上位机的增压控制指令下发到下位机后，即使上位机出现故障或者网络通讯出现故障，下位机仍然能够正常运行完成增压，不会受到故障的影响，可靠性高；在下位机执行增压过程中，也可以通过上位机人为干预(对压力设定值、增压电磁阀进行修改、调整)或者停止增压过程，灵活、自主地选择不同增压电磁阀的任意组合工作，操作灵活简便；基于偏差阈值比较算法实现了闭环增压控制，控制精度可以达到±0.02MPa，远远满足箱压控制的精度要求。

3.增压时间人为可控

基于调节阀增压的传统增压方式，增压时间由调节阀的调节特性决定，不能人为控制增压时间；而本发明可人为选择增压电磁阀的数量来调节增压时间，因此增压时间人为可控。

4.配置灵活

本发明可对火箭发动机的所有储箱同时增压，也可对火箭发动机的一路或多路储箱同时增压。

附图说明

图1是本发明储箱压力分布式闭环调节***中单个增压***实施例的结构图。

图2是本发明储箱压力分布式闭环调节***的原理图。

图3是增压控制***中上位机控制程序的软件界面。

图4是增压控制***中下位机控制程序的软件流程图。

图5是利用本发明对液氧储箱进行增压时的实时压力曲线。

图6是利用本发明对酒精储箱进行增压时的实时压力曲线。

图1中附图标记：

1-储箱；2-手阀；3-孔板；4-增压电磁阀；5-气瓶。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明所提供的火箭发动机储箱压力分布式闭环调节***包括多个增压***和一个增压控制***，火箭发动机的每路储箱对应一组增压***，所有增压***共用一个增压控制***进行控制。

所有增压***均采用电磁阀组+孔板并联组成的增压孔板矩阵的增压模式。如图1所示，单个增压***包括气瓶、设置在待增压的储箱内的压力传感器、增压管路、口径分别为DN3、DN5、DN7、DN9、DN10、DN15和DN20的7个孔板、口径不同的7个增压电磁阀；7个增压电磁阀的口径不同，是为了便于根据不同的增压需求，控制增压的速度。7个增压电磁阀的一端均通过增压管路与气瓶连接，7个增压电磁阀的另一端分别与7个孔板的一端连接，7个孔板的另一端均与手阀的一端连接，手阀的另一端通过增压管路与储箱的进气口相连。每个增压电磁阀的口径与与其串连的孔板的口径一致。增压电磁阀、孔板和增压管路之间的连接全部采用常规的法兰连接方式连接。

如图2所示，增压控制***采用基于Linux的分布式控制结构，包括中心控制机(上位机)、网络交换机、压力调节计算机(下位机)。中心控制机(上位机)与压力调节计算机(下位机)通过网络交换机相互通讯。压力调节计算机(下位机)根据压力传感器反馈的储箱压力，进行发动机燃料闭环调节、发动机氧化剂闭环调节、液氧闭环调节和酒精闭环调节。

增压控制***进行增压控制时的工作步骤如下：

(1)设定储箱的目标压力值P1

在如图3所示的上位机控制程序的软件界面中，手动设定储箱的目标压力值P1，该值即为期望的储箱增压压力。

(2)选定增压电磁阀

在上位机控制软件界面上，选定不同的增压电磁阀。如果需要快速增压，则可以选定全部增压电磁阀或者大部分增压电磁阀；如果对增压的时间没有要求或者增压时间可以长一点，则可以仅选定一个增压电磁阀或者少部分增压电磁阀。

上述步骤完成后，即生成增压控制指令。

(3)将前两部设定好的增压控制信息(也即增压控制指令)下载至压力调节计算机(下位机)中，开始执行增压：

点击上位机控制软件界面中的“数据下载”按钮，将已设定好的增压信息下载到压力调节计算机(下位机)中，压力调节计算机(下位机)开始执行增压。

(4)压力调节计算机(下位机)执行闭环增压过程

增压过程开始后，安装在储箱内的压力传感器实时采集储箱内的压力，压力传感器的输出信号经过信号调理模块(图中未示出)的调理(信号调理模块为本领域常用模块，其作用是对信号进行滤波)后，送入压力调节计算机(下位机)的AI接口，在压力调节计算机(下位机)中经过运算将压力传感器的输出信号转换为压力值，得到储箱内的实际压力值P2。然后，将实际压力值P2与步骤(1)设定的目标压力值P1经过减法运算，得到压力偏差值P3，从而形成增压过程的闭环负反馈。

压力调节计算机(下位机)程序中，设定压力偏差值P3的阈值范围是[-0.01,0.01](单位：MPa),该压力偏差值P3的阈值范围是根据增压控制精度±0.02MPa的要求，并经过***调试获得的一个最优值。

通过将压力偏差值P3与设定的阈值范围[-0.01,0.01]进行比较，生成增压电磁阀的控制指令。当压力偏差值P3<-0.01，表明储箱的实际压力值P2还未达到目标压力值P1，此时，压力调节计算机(下位机)发出电磁阀开指令，控制选定的增压电磁阀打开，氮气通过打开的增压电磁阀和孔板进入到储箱中，进行储箱的增压；当压力偏差值P3>0.01，表明储箱的实际压力值P2已经大于设定的目标压力值P1，应该停止增压，此时，压力调节计算机(下位机)发出电磁阀关指令，控制选定的增压电磁阀关闭，增压停止。

压力调节计算机(下位机)每100ms检测计算一次压力偏差值P3与压力偏差值P3的阈值范围[-0.01,0.01]之间的关系，按照上述逻辑控制关系，形成相应的控制指令，控制选定的增压电磁阀的开启或关闭，实现对储箱的闭环增压控制。同时，储箱的实际压力值P2每100ms由压力调节计算机(下位机)通过以太网上传至中心控制机(上位机)显示，供操作人员实时监视储箱内的实际压力。

中心控制机(上位机)采用Windows Xp***，压力调节计算机(下位机)采用Linux-Ubuntu10***。对于压力调节计算机(下位机)而言，采用集中式控制原理，实现对试验现场的增压电磁阀进行控制。中心控制机(上位机)与压力调节计算机(下位机)通过以太网进行通讯。

压力调节计算机(下位机)采用Linux平台上的POSIX多线程架构完成多任务处理，开发下位机控制程序所使用的语言为C语言。压力调节计算机(下位机)装载的下位机控制程序的主要功能包括：(1)接收来自中心控制机(上位机)的增压控制指令；(2)解析接收到的增压控制指令；(3)执行增压控制指令；(4)采集反馈信号，并将其发送至中心控制机(上位机)，控制软件流程图如图4所示。

本实施例增压控制***主要技术指标为：

(1)增压控制精度：±0.02MPa；

(2)最大增压压力：16MPa；

(3)同时增压能力：6路储箱同时增压。这里的6路储箱分别对应图3中的发动机燃料储箱、发动机氧化剂储箱、加热器酒精储箱、加热器液氧储箱、加热器点火酒精储箱和煤油储箱。

图5、6分别给出了对液氧储箱和酒精储箱增压时的储箱实时压力曲线，其中：液氧储箱设定的目标压力值P1为8.7MPa，酒精储箱设定的目标压力值P1为7.93MPa。通过图5、6可以看出，通过本发明增压后的储箱压力都较为稳定，压力波动也较小，增压控制误差小于±0.02MPa。

本发明火箭发动机储箱压力分布式闭环调节***原理：

基于闭环负反馈控制原理和压力偏差的阈值比较算法，通过对多组增压***中不同增压电磁阀的开关控制，实现对多路储箱压力的闭环增压控制。通过储箱上压力传感器检测到的储箱实时压力值和上位机设定的目标压力值的减法运算，得到压力偏差值，从而形成压力的闭环负反馈。

偏差阈值的设定对增压控制的效果和精度起着决定性的作用，如果设置的偏差阈值偏大，则增压的控制误差偏大，增压精度不能够得到保证；如果设置的偏差阈值偏小，则增压电磁阀频繁开关动作，增压的控制误差会比较小，但由于电磁阀的频繁动作，会导致压力曲线的波动过多，且电磁阀的使用寿命和***工作的可靠性也会受影响。因此，应该合理选定偏差阈值的范围。为此，本发明经过大量增压调试试验，确定了偏差阈值的优选范围为[-0.01,0.01]，能够达到增压控制精度为±0.02MPa，且压力曲线不会出现较大的波动。

本发明火箭发动机储箱压力分布式闭环调节***的工作过程如下：

(1)开启中心控制机(上位机)、压力调节计算机(下位机)和网络交换机，确认中心控制机(上位机)、压力调节计算机(下位机)工作和通讯正常；

(2)开启储箱内压力传感器的供电电源；

(3)启动压力调节计算机(下位机)上装载的下位机控制程序，启动中心控制机(上位机)上装载的上位机控制程序；

(4)在上位机控制程序的软件界面中，设定储箱增压的目标压力值P1，并选定将要使用的增压电磁阀；

(5)将上一步设定好的增压控制信息下载到压力调节计算机(下位机)中；

(6)压力调节计算机(下位机)执行增压控制指令，开始闭环增压；

(7)中心控制机(上位机)发出停止增压指令，增压结束。

Claims (8)

1.火箭发动机储箱压力分布式闭环调节***，用于对火箭发动机的M路储箱增压；其特征在于：包括M个增压***和一个增压控制***；每个增压***对应一路待增压储箱；所有增压***共用所述增压控制***；

单个增压***包括气瓶、手阀、设置在待增压储箱内的压力传感器、增压管路、口径不同的N个孔板以及口径不同的N个增压电磁阀；N≥M；N个增压电磁阀的一端均通过增压管路与气瓶连接，N个增压电磁阀的另一端分别与N个孔板的一端连接，N个孔板的另一端均与手阀的一端连接，手阀的另一端通过增压管路与待增压储箱的进气口相连；每个增压电磁阀的口径与与其串连的孔板的口径一致；

增压控制***包括中心控制机、网络交换机、压力调节计算机；中心控制机与压力调节计算机通过网络交换机相互通讯；压力调节计算机与M个增压***的压力传感器和增压电磁阀均相连；

中心控制机上装载有上位机控制程序，所述上位机控制程序用于根据外部输入的目标压力值P1以及选定的增压电磁阀生成增压控制指令，并发送至压力调节计算机；

压力调节计算机上装载有下位机控制程序，所述下位机控制程序用于实现以下步骤：

1)接收所述增压控制指令；

2)解析所述增压控制指令，获取所述目标压力值P1和选定的增压电磁阀信息；

3)实时采集压力传感器的反馈信号，根据所述反馈信号获取待增压储箱内的实际压力值P2，并将实际压力值P2反馈至所述中心控制机；

4)闭环调节：

每隔设定时间，计算一次实际压力值P2与目标压力值P1的压力偏差值P3，并将压力偏差值P3与预先设定的阈值范围进行比较，若压力偏差值P3小于阈值范围的下限时，发出电磁阀开指令，控制所述选定的增压电磁阀打开，进行储箱的增压；若压力偏差值P3大于阈值范围的上限，发出电磁阀关指令，控制所述选定的增压电磁阀关闭，储箱增压停止。

2.根据权利要求1所述的火箭发动机储箱压力分布式闭环调节***，其特征在于：阈值范围为[-0.01,0.01]。

3.根据权利要求1或2所述的火箭发动机储箱压力分布式闭环调节***，其特征在于：中心控制机与压力调节计算机的数据传输协议为基于TCP/IP协议。

4.根据权利要求3所述的火箭发动机储箱压力分布式闭环调节***，其特征在于：压力调节计算机采用Linux平台上的POSIX多线程架构完成多任务处理。

5.根据权利要求3所述的火箭发动机储箱压力分布式闭环调节***，其特征在于：增压电磁阀、孔板和增压管路之间的连接采用法兰连接。

6.基于权利要求1-5任一所述火箭发动机储箱压力分布式闭环调节***实现火箭发动机储箱压力分布式闭环调节的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，开启中心控制机、压力调节计算机和网络交换机，确认中心控制机、压力调节计算机工作和通讯正常；

步骤2，开启储箱内压力传感器的供电电源；

步骤3，启动压力调节计算机上装载的下位机控制程序，启动中心控制机上装载的上位机控制程序；

步骤4，在上位机控制程序的软件界面中，设定储箱增压的目标压力值P1，并选定将要使用的增压电磁阀，生成增压控制指令；

步骤5，将步骤4生成的增压控制指令下载到压力调节计算机中；

步骤6，压力调节计算机解析所述增压控制指令，获取所述目标压力值P1和选定的增压电磁阀信息；

步骤7，压力调节计算机实时采集压力传感器的反馈信号，根据所述反馈信号获取待增压储箱内的实际压力值P2，并将实际压力值P2反馈至所述中心控制机；

步骤8，压力调节计算机进行闭环调节：

每隔设定时间，计算一次实际压力值P2与目标压力值P1的压力偏差值P3，并将压力偏差值P3与预先设定的阈值范围进行比较，若压力偏差值P3小于阈值范围的下限时，发出电磁阀开指令，控制所述选定的增压电磁阀打开，进行储箱的增压；若压力偏差值P3大于阈值范围的上限，发出电磁阀关指令，控制所述选定的增压电磁阀关闭，储箱增压停止。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在步骤8进行的过程中，若压力调节计算机收到中心控制机发出的停止增压指令，压力调节计算机会发出电磁阀关指令，控制所选定的增压电磁阀关闭，储箱增压停止。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在步骤4中，若需要快速增压，则选定全部增压电磁阀或大部分增压电磁阀；若对增压时间无要求，或者增压时间可以较长，则选定一个增压电磁阀或者少部分增压电磁阀。