一種實時工況數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計

中圖分類號：TP311 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）13-0059-04

D0I：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.015

0 引言

軌/姿控衛(wèi)星發(fā)動機試驗目的之一，是獲取發(fā)動機各種工況下的各類參數(shù)，因為這些數(shù)據(jù)是驗證發(fā)動機設(shè)計理論、研究發(fā)動機工作狀態(tài)和考核發(fā)動機工作性能的重要依據(jù)。液體火箭發(fā)動機每次點火試驗都會產(chǎn)生大量不同類型的試驗參數(shù)數(shù)據(jù)，主要有發(fā)動機推力、流量、壓力、溫度、振動、位移、熱流、混合比等[]。

目前使用已開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件在每次點火結(jié)束后對試驗數(shù)據(jù)進行處理分析，處理效率低，同時數(shù)據(jù)采集保存的原始數(shù)據(jù)大多為二進制格式，每次點火結(jié)束后需要對大量的二進制數(shù)據(jù)進行處理分析，計算穩(wěn)態(tài)點火程序的平均值，并根據(jù)室壓、流量、儲箱壓力等關(guān)鍵參數(shù)來計算下次點火的試驗工況，某些特定程序下，根據(jù)試驗設(shè)計單位需求，還要讀取某些關(guān)鍵參數(shù)的最大值及其對應時刻，其過程比較煩瑣，處理數(shù)據(jù)量較大。

針對上述問題，開發(fā)了一套實時數(shù)據(jù)處理、功能明確、運行效率較高的實時工況數(shù)據(jù)處理軟件，縮減了點火間隔時間，提高了試驗效率。

1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及發(fā)動機工況概述

1.1Pacific6000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介

1.1.1 Pacific6000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

Pacific6000系列是集傳感器信號調(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)，采用模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)對傳感器信號進行調(diào)理、采集、顯示和分析，提供模擬和數(shù)字信號輸出對外部系統(tǒng)進行控制。6000系統(tǒng)獨特的體系結(jié)構(gòu)使得其可以高效地記錄靜態(tài)和動態(tài)測量數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)具有優(yōu)良的時間相關(guān)性；與計算機的接口可以是IEEE-488（GPIB）或USB2.0，接口類型決定了系統(tǒng)通信能力，USB2.0系統(tǒng)具有更高的數(shù)據(jù)傳輸能力（可達 4MS/s） 和最小的傳輸延遲，典型情況下小于 5ms ，GPIB系統(tǒng)的最大傳輸速率可達 800kS/s 。

PI660是一個為數(shù)據(jù)采集和顯示特別編寫的軟件，它功能豐富，操作簡單，可以對DAS硬件進行編程、數(shù)據(jù)采集和顯示。該軟件主要具有以下功能：實時數(shù)據(jù)采集和記錄、多通道信號處理、數(shù)據(jù)分析與可視化、報警和事件記錄、數(shù)據(jù)導出。該軟件常用于工業(yè)過程監(jiān)測、設(shè)備設(shè)施性能測試和液體火箭發(fā)動機試驗，用戶通過通用編程語言[2]，如C、 C++ 、VisualBasic等，調(diào)用PI660的DLL功能，用以進行軟件的編寫和嵌入。

6000系統(tǒng)是模塊化結(jié)構(gòu)，傳感器信號調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)字IO、模擬輸出控制、IRIG時間及其他測量和輸出功能分別使用不同的插卡式模塊板，整個系統(tǒng)通過一個主機箱與計算機連接。對于IEEE-488系統(tǒng)，前面的IO模塊板位于主機箱，其他模塊板安裝在從機箱。在USB接口系統(tǒng)中，所有IO模塊板均安裝在多個主機箱內(nèi)。

1.1.2 客戶端工作站

PI660的客戶端工作站可通過網(wǎng)絡(luò)支持數(shù)據(jù)顯示和記錄，客戶端從服務(wù)器或操作站端獲得數(shù)據(jù)并顯示和記錄。必要條件：Server和Client必須在同一個網(wǎng)絡(luò)上，并且都要具有管理員權(quán)限；測試配置文件必須定義并保存在服務(wù)器上。當服務(wù)器端軟件處于預覽或記錄狀態(tài)時，客戶端軟件將顯示已經(jīng)收到數(shù)據(jù)，點擊客戶端的“預覽\"按鈕可以顯示數(shù)據(jù)，點擊客戶端的“記錄”按鈕可以記錄數(shù)據(jù)到本地.RAW格式的文件中[3]。

1.2 液體火箭發(fā)動機試驗工況

液體火箭發(fā)動機試驗工況計算涉及復雜的流體力學、熱力學、燃燒學和結(jié)構(gòu)力學問題，通常需要專業(yè)軟件進行多學科耦合仿真[4]。以下是核心計算內(nèi)容：

1）推進劑流量與混合比 （k） ：燃料/氧化劑流量分配、噴射壓降。②）燃燒室性能 （P_c） ：燃燒效率、室壓、溫度分布、特征速度 （C^*） 。3）噴管性能參數(shù)：膨脹比、推力系數(shù) （C_f） 、比沖（I_sp） 。4關(guān)鍵參數(shù)的平均值處理及計算：入口壓力、發(fā)動機推力、儲箱壓力、推進劑流量等。

關(guān)鍵參數(shù)計算示例：

混合比 （k） ：

式中： q_mo 為氧化劑流量； q_mf 為燃料流量。

意義：直接影響發(fā)動機的性能、燃燒穩(wěn)定性、冷卻效率和整體設(shè)計。

比沖 （I_sp） ：

式中： F 為推力； q_mo 為氧化劑流量; q_mf 為燃料流量; g 為重力加速度。

意義：單位推進劑產(chǎn)生的沖量（單位為s），衡量衛(wèi)星發(fā)動機效率的核心參數(shù)。

特征速度 （C^*） ：

式中： P_c 為室壓； A 為喉部面積; q_mo 為氧化劑流量； q_mf為燃料流量。

意義：反映推進劑能量和燃燒效率，用于評估燃燒性能。

2 實時數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計思路

軟件實現(xiàn)的功能應包含數(shù)據(jù)讀取及存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)動態(tài)顯示等，具體步驟如圖1所示。

數(shù)據(jù)處理（均值 數(shù)據(jù)動態(tài)顯示（包含實數(shù)據(jù)讀取及計算、濾波、去 時參數(shù)、實時工況、目存儲奇點、去零位） 標工況、工況參數(shù)）

2.1 數(shù)據(jù)讀取及存儲

數(shù)據(jù)讀取通過內(nèi)置函數(shù)實現(xiàn)，一般為二進制數(shù)據(jù)，讀取時本機作為客戶端讀取來自服務(wù)端的數(shù)據(jù)。根據(jù)采樣間隔及參數(shù)設(shè)置讀取服務(wù)端對應試驗數(shù)據(jù)，讀取命令為success=PI660DLLGetComputedBSTR-Name（k，ChannelName）。數(shù)據(jù)存儲將讀入數(shù)據(jù)寫入臨時數(shù)組中，在停止記錄時將數(shù)組中保存的所有數(shù)據(jù)寫入指向的txt文件中。操作界面如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括按照預設(shè)區(qū)間計算零位，按照預設(shè)工況計算間隔計算平均值，根據(jù)核心計算內(nèi)容、流阻及工況配置計算工況。代碼流程圖如圖3所示。

流阻部分代碼示例[5]：

0|1|2|3|4|5|6|7|8|9| 'T|V0|FacO|Pc0|qmo0|qmf0|pioO|pifO|ptoOlptf0l IfMSFlexGrid1.TextMatrix（i，2） \"Fac\"Then Facl=CDbl （MSFlexGrid1.TextMatrix （i，4）） *

CDbl（MSFlexGrid1.TextMatrix（i， 5）） Pc1=Fac1/GK_Sum（2）*GK_Sum（3） qmol Fac1/GK_Sum（2）*（GK_Sum（4）+GK_

Sum（5））*rm0/（rm0+1） qmfl=Fac1/GK_Sum（2）*（GK_Sum（4）+GK_

Sum（5））/（rm0+1） piol °leddash Pc1+（GK_Sum（6）-GK_Sum（3））*（qmo1/

GK_Sum（4））^2 pifl=Pc1+（GK_Sum（7）-GK_Sum（3）*（qmfl/

GK_Sum（5））^2 pto1=Pc1+（GK_Sum（9）-GK_Sum（3）*（qmo1/

GK_Sum（4）） ^2 ptf1=Pc1+（GK_Sum（9）-GK_Sum（3））*（qmfl/

GK_Sum（5））^2 ElseIfMSFlexGrid1.TextMatrix（i，2）= \"Pc\"Then Pc1=CDbl （MSFlexGrid1.TextMatrix （i， 4））

*CDbl（MSFlexGrid1.TextMatrix（i， 5）） Fac1=Pc1/GK_Sum（3）*GK_Sum（2） qmo1=Pc1/GK_Sum（3）*（GK_Sum（4）+GK_

Sum（5））*rm0/（rm0+1） qmfl=Pc1/GK_Sum（3）*（GK_Sum（4）+GK_

Sum（5））/（rm0+1） pio1=Pc1+（GK_Sum（6）-GK_Sum（3））*（qmo1/

GK_Sum（4））^2 pifl=Pc1+（GK_Sum（7）-GK_Sum（3））*（qmfl/

GK_Sum（5））^2 pto1=Pc1+（GK_Sum（8）-GK_Sum（3））*（qmo1/

GK_Sum（4））^2 ptfl=Pc1+（GK_Sum（9）-GK_Sum（3））*（qmfl/

GK_Sum（5））^2

End If

2.3 數(shù)據(jù)顯示

數(shù)據(jù)顯示包括實時參數(shù)數(shù)據(jù)、實時工況、目標工況、選定的點火次數(shù)的平均值，默認每秒刷新一次。為用戶提供的操作包括：

1）選中：根據(jù)選中的工況參數(shù)實時調(diào)節(jié)目標工況；2）鎖定：鎖定實時工況參數(shù)；3）增加行：根據(jù)任務(wù)工況增加空行以添加工況參數(shù)；4）存儲/加載配置：可保存配置好的工況參數(shù)并在之后重新加載。

顯示界面如圖4所示。

3 試驗使用情況

該軟件經(jīng)評審論證后，在軌/姿控發(fā)動機高空模擬試驗中進行測試及試用，經(jīng)多次試驗實踐，運行效果良好，在試驗期間省去了人員后處理時間，提高了操作人員數(shù)據(jù)處理的效率。該軟件目前已正式應用于軌/姿控發(fā)動機高空模擬試驗的數(shù)據(jù)處理、分析過程，縮短了試車時間，為將來新型測量系統(tǒng)的研發(fā)提供了有效的技術(shù)借鑒。

4結(jié)論

該實時數(shù)據(jù)處理軟件實現(xiàn)了多參數(shù)類型、大規(guī)模數(shù)據(jù)的實時處理、數(shù)據(jù)輸出及顯示。經(jīng)過實際試驗使用，軟件運行良好，能夠?qū)Σ煌瑪?shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)按照預設(shè)參數(shù)進行處理并顯示，使液體火箭發(fā)動機試驗過程的質(zhì)量和效率得到提升，為液體火箭發(fā)動機試車數(shù)據(jù)報告提供了可靠的軟件支持。

[參考文獻]

[1]史超.液體火箭發(fā)動機高空模擬試驗系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：中國宇航出版社，2021.

[2]明日科技.VisualBasic從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2019.

[3]美國太平洋公司.Pacific Instrument[Z]，2000.

[4]韓明.液體火箭發(fā)動機試驗測控技術(shù)[M].北京：中國宇航出版社，2024.

[5]王彥麗.VisualBasic程序設(shè)計教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

收稿日期：2025-04-01

作者簡介：劉鑫 （1988-） ，男，河北廊坊人，技師，研究方向：液體火箭發(fā)動機試驗測量技術(shù)。