一种实时工况数据处理软件设计

0引言

轨/姿控卫星发动机试验目的之一,是获取发动机各种工况下的各类参数,因为这些数据是验证发动机设计理论、研究发动机工作状态和考核发动机工作性能的重要依据。液体火箭发动机每次点火试验都会产生大量不同类型的试验参数数据,主要有发动机推力、流量、压力、温度、振动、位移、热流、混合比等^[1]。

目前使用已开发的数据处理软件在每次点火结束后对试验数据进行处理分析,处理效率低,同时数据采集保存的原始数据大多为二进制格式,每次点火结束后需要对大量的二进制数据进行处理分析,计算稳态点火程序的平均值,并根据室压、流量、储箱压力等关键参数来计算下次点火的试验工况,某些特定程序下,根据试验设计单位需求,还要读取某些关键参数的最大值及其对应时刻,其过程比较烦琐,处理数据量较大。

针对上述问题,开发了一套实时数据处理、功能明确、运行效率较高的实时工况数据处理软件,缩减了点火间隔时间,提高了试验效率。

1数据采集系统及发动机工况概述

1.1 Pacific6000数据采集系统简介

1.1.1Pacific6000数据采集系统

Pacific6000系列是集传感器信号调理、AD转换和控制于一体的高性能数据采集系统,采用模拟、数字和软件技术对传感器信号进行调理、采集、显示和分析,提供模拟和数字信号输出对外部系统进行控制。6000系统独特的体系结构使得其可以高效地记录静态和动态测量数据,且数据具有优良的时间相关性;与计算机的接口可以是IEEE—488 (GPIB)或 USB2.0,接口类型决定了系统通信能力,USB2.0系统具有更高的数据传输能力(可达4 MS/s)和最小的传输延迟,典型情况下小于5 ms,GPIB系统的最大传输速率可达800 kS/s。

PI660是一个为数据采集和显示特别编写的软件,它功能丰富,操作简单,可以对DAS硬件进行编程、数据采集和显示。该软件主要具有以下功能:实时数据采集和记录、多通道信号处理、数据分析与可视化、报警和事件记录、数据导出。 该软件常用于工业过程监测、设备设施性能测试和液体火箭发动机试验,用户通过通用编程语言^[2],如c、c++、visual Basic等,调用PI660的DLL功能,用以进行软件的编写和嵌入。

6000系统是模块化结构,传感器信号调理、AD 转换、数字IO、模拟输出控制、IRIG时间及其他测量和输出功能分别使用不同的插卡式模块板,整个系统通过一个主机箱与计算机连接。对于IEEE—488系统,前面的IO模块板位于主机箱,其他模块板安装在从机箱。在USB接口系统中,所有IO模块板均安装在多个主机箱内。

1.1.2客户端工作站

PI660的客户端工作站可通过网络支持数据显示和记录,客户端从服务器或操作站端获得数据并显示和记录。 必要条件:Server和client必须在同一个网络上,并且都要具有管理员权限;测试配置文件必须定义并保存在服务器上。当服务器端软件处于预览或记录状态时,客户端软件将显示已经收到数据,点击客户端的“预览"按钮可以显示数据,点击客户端的“记录"按钮可以记录数据到本地.RAW格式的文件中^[3]。

液体火箭发动机试验工况计算涉及复杂的流体力学、热力学、燃烧学和结构力学问题,通常需要专业软件进行多学科耦合仿真^[4]。 以下是核心计算内容:

1)推进剂流量与混合比(k):燃料/氧化剂流量分配、喷射压降。

2)燃烧室性能(Pc):燃烧效率、室压、温度分布、特征速度(C*)。

3)喷管性能参数:膨胀比、推力系数(Cf)、比冲(Isp)。

4)关键参数的平均值处理及计算:入口压力、发动机推力、储箱压力、推进剂流量等。

关键参数计算示例:

混合比(k):

式中:qmo为氧化剂流量;qmf为燃料流量。

意义:直接影响发动机的性能、燃烧稳定性、冷却效率和整体设计。

比冲(Isp):

式中:F为推力;qmo为氧化剂流量;qmf为燃料流量;g为重力加速度。

意义:单位推进剂产生的冲量(单位为s),衡量

卫星发动机效率的核心参数。

特征速度(C*):

式中:Pc为室压;At为喉部面积;qmo为氧化剂流量;qmf 为燃料流量。

意义:反映推进剂能量和燃烧效率,用于评估燃烧性能。

2 实时数据处理软件设计思路

软件实现的功能应包含数据读取及存储、数据处理、数据动态显示等,具体步骤如图1所示。

2.1数据读取及存储

数据读取通过内置函数实现,一般为二进制数据,读取时本机作为客户端读取来自服务端的数据。根据采样间隔及参数设置读取服务端对应试验数据,读取命令为success=PI660DLLGetC0mputedB5TR-Name(k,ChannelName)。数据存储将读入数据写入临时数组中,在停止记录时将数组中保存的所有数据写入指向的txt文件中。操作界面如图2所示。

2.2 数据处理

数据处理包括按照预设区间计算零位,按照预设工况计算间隔计算平均值,根据核心计算内容、流阻及工况配置计算工况。代码流程图如图3所示。

流阻部分代码示例^[5]:

2.3 数据显示

数据显示包括实时参数数据、实时工况、目标工况、选定的点火次数的平均值,默认每秒刷新一次。为用户提供的操作包括:

1)选中:根据选中的工况参数实时调节目标工况;

2)锁定:锁定实时工况参数;

3)增加行:根据任务工况增加空行以添加工况参数;

4)存储/加载配置:可保存配置好的工况参数并在之后重新加载。

显示界面如图4所示。

3试验使用情况

该软件经评审论证后,在轨/姿控发动机高空模拟试验中进行测试及试用,经多次试验实践,运行效果良好,在试验期间省去了人员后处理时间,提高了操作人员数据处理的效率。该软件目前已正式应用于轨/姿控发动机高空模拟试验的数据处理、分析过程,缩短了试车时间,为将来新型测量系统的研发提供了有效的技术借鉴。

4结论

该实时数据处理软件实现了多参数类型、大规模数据的实时处理、数据输出及显示。经过实际试验使用,软件运行良好,能够对不同数据类型的数据按照预设参数进行处理并显示,使液体火箭发动机试验过程的质量和效率得到提升,为液体火箭发动机试车数据报告提供了可靠的软件支持。

[参考文献]

[1]史超.液体火箭发动机高空模拟试验系统设计[M].北京:中国宇航出版社,2021.

[2] 明日科技.V,sualBas,c从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2019.

[3]美国太平洋公司.pac,f,cInstrument[z],2000.

[4]韩明.液体火箭发动机试验测控技术[M].北京:中国宇航出版社,2024.

[5]王彦丽.V,sualBas,c程序设计教程[M].北京:电子工业出版社,2007.

《机电信息》2025年第13期第15篇