氫/氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)程序設(shè)計(jì)

陳　軍，丁博深，段　燕

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京100074）

氫/氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)程序設(shè)計(jì)

陳軍，丁博深，段燕

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京100074）

在氫/氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異?；蚬收馅厔?shì)，并快速實(shí)施自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)是非常重要的。本文在Pacific 6000數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使用Visual C++開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)其自帶的采集軟件PI660進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)判讀功能。在緊急關(guān)機(jī)程序設(shè)計(jì)中，定時(shí)器的精度直接影響判讀的準(zhǔn)確性，通過(guò)對(duì)幾種定時(shí)器精度的測(cè)試和分析，選取“多媒體定時(shí)器”用于自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)程序，并結(jié)合Pacific 6000數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的特性，綜合分析了自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)程序的響應(yīng)時(shí)間及可靠性。

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)；液體推進(jìn)劑；自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)；定時(shí)器；響應(yīng)時(shí)間

0　引言

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的故障，在極短時(shí)間內(nèi)可能造成災(zāi)難性后果。如果能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行精確的檢測(cè)，出現(xiàn)異常情況時(shí)迅速執(zhí)行自動(dòng)關(guān)機(jī)操作，就可避免或降低故障帶來(lái)的損失，進(jìn)一步提高可靠性和安全性。

某型號(hào)氫/氧發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)采用Pacific 6000數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)所有穩(wěn)態(tài)參數(shù)（包括關(guān)機(jī)參數(shù)）的測(cè)量。Pacific 6000數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)自帶采集軟件PI660，并留有開(kāi)發(fā)接口，如果能夠在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)程序，則既可節(jié)約成本，又可降低整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性。

1　自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)需求和設(shè)計(jì)

在Pacific 6000數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)功能，需要深入了解Pacific 6000數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的特性，并在此基礎(chǔ)上用Visual C++來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.1Pacific 6000數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

Pacific 6000數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)是集傳感器信號(hào)調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換和控制于一體的高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它采用模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、采集、顯示和分析，提供模擬和數(shù)字信號(hào)輸出對(duì)外部系統(tǒng)進(jìn)行控制。與計(jì)算機(jī)的接口有GPIB及USB2.0兩種模式。

圖1　PI660采集軟件功能模塊圖Fig.1　Function module diagram of PI660 data acquisition software

自帶的PI660數(shù)據(jù)采集軟件可運(yùn)行于Win98. NT下，用于設(shè)置和操作Pacific 6000數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集速率最大1 M/s，用戶可根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。其功能模塊圖如圖1所示。

1.2自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)功能需求

發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)單位對(duì)緊急關(guān)機(jī)程序提出了具體判斷準(zhǔn)則。給出需要判讀的關(guān)機(jī)參數(shù)及邏輯關(guān)系，對(duì)關(guān)機(jī)參數(shù)的判讀周期為100 ms，在連續(xù)三次滿足關(guān)機(jī)條件時(shí)發(fā)出自動(dòng)關(guān)機(jī)指令，緊急關(guān)機(jī)時(shí)間不大于500 ms。

1.3軟件設(shè)計(jì)

由上述可知，需要在圖1的基礎(chǔ)上增加自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)判讀模塊及緊急關(guān)機(jī)信息存儲(chǔ)模塊。

1）自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)判讀。對(duì)采集系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)按照設(shè)定的邏輯關(guān)系進(jìn)行判讀，當(dāng)滿足關(guān)機(jī)條件時(shí)，通過(guò)繼電器輸出板卡發(fā)出觸點(diǎn)信號(hào)，試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)接收信號(hào)后執(zhí)行一系列關(guān)機(jī)動(dòng)作。圖2為自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)程序流程圖。

圖2　自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)程序流程圖Fig.2 Flow chart of automatic emergency cut-off program

程序首先判斷起動(dòng)信號(hào)的電壓值是否大于3.5 V，當(dāng)起動(dòng)信號(hào)電壓大于3.5 V時(shí)，判定發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，該時(shí)刻定為“0時(shí)刻”，開(kāi)始獲取關(guān)機(jī)參數(shù)的數(shù)值。使用判讀周期累加的方式計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定開(kāi)始判讀時(shí)刻時(shí)，開(kāi)始按照預(yù)定判讀條件，以100 ms為一個(gè)周期進(jìn)行判讀，當(dāng)連續(xù)三次滿足判讀條件時(shí)發(fā)出緊急關(guān)機(jī)信號(hào)。

2） 緊急關(guān)機(jī)信息存儲(chǔ)。當(dāng)滿足關(guān)機(jī)條件，執(zhí)行關(guān)機(jī)動(dòng)作的同時(shí)，保存判讀參數(shù)的數(shù)值及時(shí)間信息，為事后查證提供依據(jù)。

通過(guò)圖2可知，整個(gè)緊急關(guān)機(jī)判讀過(guò)程由定時(shí)器控制來(lái)進(jìn)行周期性的判讀操作和計(jì)時(shí)，定時(shí)器性能的優(yōu)劣關(guān)系到發(fā)生異常時(shí)，能否及時(shí)關(guān)機(jī)。

2　常用定時(shí)器性能對(duì)比

在緊急關(guān)機(jī)程序中，定時(shí)器是一個(gè)獨(dú)立的線程，用于定時(shí)操作。在定時(shí)器使用時(shí)需要注意以下三個(gè)方面：一是在定時(shí)器中，不要執(zhí)行可阻塞的事件，否則阻塞事件之后的操作將不能按時(shí)處理；二是在定時(shí)器中，不要執(zhí)行過(guò)多占用CPU的操作，否則會(huì)導(dǎo)致定時(shí)器性能下降；三是定時(shí)器內(nèi)的操作所需時(shí)間不能大于定時(shí)器的時(shí)間間隔，否則將引起程序崩潰。Windows系統(tǒng)提供了多種定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)方案，包括WM_TIMER消息映射、Sleep（），timeGetTime（）函數(shù)、多媒體定時(shí)器和頻率計(jì)數(shù)器等。

2.1定時(shí)器精度測(cè)試

在Visual C++6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)多個(gè)定時(shí)器對(duì)比，判讀周期為100 ms，測(cè)試時(shí)間為2 000 s，使用頻率計(jì)數(shù)器對(duì)其判讀周期進(jìn)行測(cè)量。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1是在CPU為Intel Core2 2.93GHz，安裝Windows XP SP2操作系統(tǒng)的工控機(jī)上對(duì)上述定時(shí)器測(cè)試的結(jié)果。由表1可知，多媒體定時(shí)器和頻率計(jì)數(shù)器的定時(shí)比較精確，但頻率計(jì)數(shù)器的標(biāo)準(zhǔn)差較大，說(shuō)明其穩(wěn)定性差。

2.2定時(shí)器差異分析

1）WM_TIMER是將設(shè)定的定時(shí)周期轉(zhuǎn)換為IRQ0請(qǐng)求中斷的次數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)要求的次數(shù)時(shí)，計(jì)時(shí)器對(duì)象就發(fā)送一個(gè)WM_TIMER消息，由響應(yīng)函數(shù)處理。而NT內(nèi)核的操作系統(tǒng)以約15.600 1 ms為周期響應(yīng)中斷，因此，定時(shí)器的最短時(shí)間間隔約為15.6 ms；另外，雖然定時(shí)器已經(jīng)發(fā)送了一條WM_TIMER消息到消息隊(duì)列中，但其優(yōu)先級(jí)不高，該消息可能得不到及時(shí)處理。因此，在工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中無(wú)法滿足高精度的定時(shí)控制要求。

表1　定時(shí)器測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.1　Test results of timers

2）sleep（）函數(shù)的CPU占用率較高，一般適用于單任務(wù)的程序。實(shí)際測(cè)試，該函數(shù)的精度同WM_TIMER的效果相當(dāng)。

3）GetTickCount（）函數(shù)可返回從計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)啟動(dòng)后到被調(diào)用時(shí)刻所經(jīng)過(guò)的毫秒數(shù)，可利用其返回值實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。定時(shí)精度可滿足需求。但是，其中斷請(qǐng)求頻繁，資源消耗較大。

4）Windows中為多媒體定時(shí)器提供底層API支持，它通過(guò)TimeBeginPeriod（）函數(shù)設(shè)置最小定時(shí)精度，使定時(shí)周期不受15.600 1 ms響應(yīng)中斷的限制，且該定時(shí)器也不依賴于消息機(jī)制，而是由TimeSetEvent（）函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)立的線程，從而保證定時(shí)中斷在CPU資源緊張時(shí)得到實(shí)時(shí)響應(yīng)。多媒體定時(shí)器是一種比較理想的定時(shí)器，精度可達(dá)到毫秒級(jí)。

5）頻率計(jì)數(shù)器的精度非常高，可達(dá)納秒級(jí)，但由于計(jì)算機(jī)硬件因素，會(huì)存在隨機(jī)的“l(fā)eap forward”現(xiàn)象，使得定時(shí)周期增加幾十到幾百毫秒，這對(duì)自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)程序來(lái)說(shuō)是無(wú)法忍受的。因此，確定使用多媒體定時(shí)器在PI660采集軟件上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)緊急程序開(kāi)發(fā)。

3　自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)程序響應(yīng)時(shí)間分析

本程序是以Pacific 6000數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，因此，判讀響應(yīng)時(shí)間受定時(shí)器和Pacific 6000數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)兩個(gè)方面的影響。

3.1定時(shí)器精度對(duì)判讀響應(yīng)時(shí)間的影響

通過(guò)對(duì)定時(shí)器精度分析可知，自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)程序的一個(gè)判讀周期實(shí)際是99～101 ms，由此對(duì)判讀響應(yīng)時(shí)間的影響如下：

1）在連續(xù)三次判讀時(shí)，會(huì)造成第三次判讀時(shí)間誤差為-3～3 ms。

2）同理，使用判讀周期累加的方式計(jì)時(shí)，如開(kāi)始判讀時(shí)刻為3 s，可能造成-30～30 ms的誤差。

3.2自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)程序自身特性對(duì)判讀響應(yīng)時(shí)間的影響

自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)程序的一個(gè)判讀周期為100 ms，在判讀發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)“0時(shí)刻”時(shí)，可能造成的延遲為0～100 ms。

為了消除判讀“0時(shí)刻”帶來(lái)的延遲，將其判讀周期由100 ms改為10 ms，可將判讀延遲時(shí)間縮短在0～10 ms。為了提高執(zhí)行效率，減小資源消耗，程序其它部分的判讀周期仍為100 ms。

3.3Pacific 6000數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)自身特性對(duì)判讀響應(yīng)時(shí)間的影響

Pacific 6000數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，每隔50 ms打包發(fā)送至采集工控機(jī)，程序在t時(shí)刻讀取的數(shù)據(jù)是過(guò)去50 ms內(nèi)形成的數(shù)據(jù)包中的第一個(gè)值，因此，Pacific 6000數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的通道傳輸延遲為50 ms，如圖3所示。程序在t時(shí)刻讀取數(shù)據(jù)包中關(guān)機(jī)參數(shù)的數(shù)值時(shí)，會(huì)造成50～100 ms的延遲。

圖3　Pacific 6000數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)通道延遲Fig.3　Channel delay of Pacific 6000 DAS

綜上所述，自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)程序響應(yīng)時(shí)間為17～143 ms。

4　自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)程序測(cè)試及應(yīng)用

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)單提出的自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)判斷準(zhǔn)則，建立了涵蓋故障及非故障模式庫(kù)，共計(jì)32個(gè)狀態(tài)。在與發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)一致的條件下模擬實(shí)現(xiàn)模式庫(kù)內(nèi)的所有狀態(tài)，由Pacific 6000采集系統(tǒng)得到狀態(tài)數(shù)據(jù)，PI660采集軟件的自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)程序完成狀態(tài)的判讀，起動(dòng)信號(hào)由控制系統(tǒng)觸發(fā)。當(dāng)輸入故障模式狀態(tài)時(shí)采集系統(tǒng)控制繼電器吸合，發(fā)出信號(hào)給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)接收到信號(hào)后發(fā)出關(guān)機(jī)動(dòng)作指令。在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)與控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合測(cè)試，自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)程序響應(yīng)時(shí)間與上述理論分析一致。關(guān)機(jī)時(shí)間為317～443 ms，滿足任務(wù)需求。自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)判讀模塊及緊急關(guān)機(jī)信息存儲(chǔ)模塊工作正常，PI660采集軟件在二次開(kāi)發(fā)后工作正常。某次熱試車數(shù)據(jù)如圖4所示，發(fā)動(dòng)機(jī)工作到232.02 s時(shí)滿足壓力參數(shù)pep＜9.5 MPa的關(guān)機(jī)條件，在232.36 s時(shí)完成自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)動(dòng)作，關(guān)機(jī)時(shí)間為0.34 s。

圖4　pep參數(shù)滿足關(guān)機(jī)條件的放大曲線Fig.4　Magnified graph that pepparameters meet requirement of emergency cut-off

5　結(jié)論

經(jīng)過(guò)分析、測(cè)試和試驗(yàn)驗(yàn)證，以Pacific 6000數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，使用多媒體定時(shí)器在PI660采集軟件上實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)程序，具備快速響應(yīng)自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)功能，無(wú)“誤判、漏判”情況發(fā)生，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和地面試驗(yàn)設(shè)施起到一定的保護(hù)作用。由于Pacific 6000數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)在其它試驗(yàn)系統(tǒng)廣泛使用，本程序的設(shè)計(jì)思路和方法具有較好的推廣性，在節(jié)約成本的同時(shí)也降低了整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的復(fù)雜性。

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（編輯：王建喜）

Design of automatic emergency cut-off program in LH2/LOX engine test

CHEN Jun，DING Boshen，DUAN Yan
（Beijing Institute of Aerospace Testing Technology，Beijing 100074，China）

In LH2/LOX rocket engine test for real-time monitoring of the engine's critical parameters，it is veryimportant to find the abnormal phenomenon and fault trend，and make a response quickly.In this paper，based on Pacific 6000 DAS，Visual C++development environment is used to make the redevelopment of its own software PI660 to implement the high-precision automatic emergency cut-off function.The accuracy of program's timer directly affects the precision of interpretation in design of the emergency cut-off program.The multimedia timer was selected for automatic emergency cut-off program after testing and analyzing the precision of several timer. Besides，combining with the characteristics of Pacific 6000 DAS，the response time and responsibility ofthe automatic emergencycut-offprogram were analyzed.

rocket engine test；liquid propellant；automatic emergency cut-off；timer；response time

V434-34

A

1672-9374（2016）02-0069-04

2015-06-10；

2015-08-25

航天支撐技術(shù)項(xiàng)目（617010411）

陳軍（1980—），男，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)闅?氧發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)控技術(shù)