基于LabVIEW的固体火箭发动机点火控制装置设计

2015-11-15郭宇欣

航空兵器 2015年4期

郭宇欣

(中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009)

0 引言

固体火箭发动机是空空导弹的重要分系统之一，它给导弹提供飞行动力，以保证导弹获得所需要的速度和射程。而发动机点火试验是发动机研制、生产过程中十分重要的环节，试验结果是决定研制工作能否转阶段、能否设计定型、能否交付客户的重要依据。发动机点火过程非常短暂，且不可逆，但对发动机的正常工作起着极为重要的作用，这就要求点火设备必须安全、快速、可靠、精准。

本文所设计的设备选用西门子S200 型PLC(可编程控制器)作为控制核心，图形化语言Lab-VIEW 作为软件开发平台，采用模块化设计，能实现四路点火电流按设定的时序输出，点火电流2 ～20 A 连续可调，满足不同型号固体火箭发动机的点火试验要求。

LabVIEW 是虚拟仪器领域中最具代表性的图形化编程开发平台，具有优秀的人机交互界面和丰富的子程序供编程者直接调用。利用LabVIEW 开发软件能提高设备运行效率，提高设备的安全性、可靠性和精准性。

1 点火控制装置工作原理及系统组成

1.1 工作原理

点火控制装置主要完成发动机点火参数设置、点火电流测试与控制、点火电阻测试、并为其他设备提供准确可靠的时间基准信号。设备的控制计算机通过RS232 串口与PLC 连接通讯。试验前将任务下达给PLC，由PLC 独自完成点火试验的时序控制;由软件程序控制研华多功能数据采集卡进行点火电流的实时采集显示、接收分控仪的启动、复位等信号。多功能数据采集卡的数字量输出通道输出控制信号，通过升压电路调理生成逻辑信号并传输给分控仪;点火回路的时间基准信号经光电隔离调制传输给分控仪。

该装置共有四个各自独立的点火回路，可根据试验要求对点火方式进行设定，点火方式有单个回路输出点火电流、多个回路同时输出点火电流和多个回路按时序输出点火电流。每个点火回路均采用多种继电器组合，由软件控制继电器按规定顺序动作，保证点火回路可靠接通。其中最后接通点火回路的继电器采用固态继电器，接通时间小于0.1 ms，用于实现点火电流的快速输出。每个点火回路中串入一个隔离电流传感器，实现对点火电流数值的高速采集。点火回路电阻阻值由电爆管测试仪测出。

1.2 硬件组成

整个设备由测控计算机、PLC 控制模块、点火输出控制模块及电源模块四个模块组成。设备硬件组成如图1 所示。

图1 硬件组成图

测控计算机为工业控制计算机，用于实现系统自检、点火参数设置及显示、点火电流的调节、显示和储存、电流传感器的校准等功能。PLC 控制模块接收计算机发送的点火任务，由控制台按钮启动，完成设定的点火动作。点火输出模块由多个继电器和电流传感器组成，确保点火过程的安全有效并实现点火电流数值的快速采集。电源模块主要由多个点火电源和辅助电源组成，满足四个点火回路的电流输出和其他部件的供电需求。

2 软件设计

2.1 软件设计平台

点火控制程序采用LabVIEW8.6 作为软件开发平台。LabVIEW 由美国国家仪器(NI)公司研制开发，类似于C 和BASIC 开发环境，但是Lab-VIEW 与其他计算机语言的显著区别是:其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW 使用的是图形化编辑语言编写程序，产生的程序是框图的形式。它把复杂、繁琐的语言编程简化为功能图形的选择，然后用线条把功能图连接起来即可完成编程工作。该语言直接面向测试工程师，编程方便，人机交互界面直观友好，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力，并提供了许多子程序供编程者直接调用。利用Lab-VIEW 编程语言，可以在很短时间里设计、构建和修改自己的程序，无需进行任何繁琐的计算机代码编写。

2.2 软件运行流程

发动机点火试验完成点火电流的调节、对点火时序及其他参数进行设置、点火电流输出记录和数据回放四个步骤。程序设计主要考虑了上述顺序:

(1)对设备硬件进行自检。检查工控机与PLC、多功能数据采集卡的通讯是否正常。如异常，需人工检查通讯连接;

(2)根据试验要求对点火电流进行调节;

(3)分别完成点火时序设置和对外控制信号输出时序的设置;

(4)将各参数整合打包写入PLC 中。

点火试验时闭合点火按钮，程序按设定时序工作，闭合点火回路继电器，输出点火电流并保存电流数据。软件运行流程如图2 所示。

图2 软件运行流程图

2.3 程序设计

程序设计包括主程序、标定程序和曲线显示程序等子程序的设计。

2.3.1 主程序的设计

根据软件运行流程，主程序完成人机交互功能。实现系统自检、电流调节、参数设置、数据实时显示及其他功能模块调用等操作。因此，主程序界面设计多个功能区域:数据实时显示区，实现试验过程中点火电流波形的实时显示;倒计时及操作状态指示区，分别显示点火倒计时、操作按钮工作状态以及点火电流设置值;试验流程参数设置区，可根据试验需要，完成多个点火电源的时序设置，并可将设置好的参数保存为设置文件，方便同类试验的调用;分控仪工作时序设置区，用于完成其他设备控制信号的时序设置;功能控制区，系统自检按钮实现系统自检模块的调用，完成工控机与多功能数据采集卡、PLC 通讯的检查。电流调节按钮实现电流调节模块的调用，用于对点火电流值进行调节，使其满足试验要求。点击点火开始按钮后，程序将设置好的参数装载入PLC 的相关寄存器中。主程序界面如图3 所示。

图3 主程序界面

考虑到各型号固体火箭发动机的点火试验要求不同，程序对试验流程参数模块进行了优化设计。既能实现单个电源输出点火电流，也能实现多个电源并行输出点火电流，或者按设定时序串行输出点火电流。为了达到这一功能，该模块采用了while 循环、条件结构、事件顺序结构和定时循环结构嵌套使用。以点火电源为列，各点火电源的工作时间为行，生成二维数组，并在数组的首尾分别添加点火倒计时时间和试验终止时间，形成流程表格数组并对该数组进行VI 服务器应用;在定时循环结构中调用VI 服务器应用，读取流程表格数组中的相关数据，写入PLC 指令数组中。通过VISA 写入功能模块将PLC 指令数组写入到PLC 的缓存内。VI 服务器引用就如C+ +中的指针，直接指向所用数据，避免了使用局部变量对整个数组进行拷贝，减少了程序内存的使用，提高了运行效率。试验流程参数模块程序框如图4 所示。

图4 试验流程参数模块程序框图

2.3.2 标定程序的设计

标定程序的作用是对点火回路的电流传感器进行标定，将标定数据写入文本文件。选择需要标定的点火回路，并设定电流的标定值，通过调节旋钮控制电流输出大小，记录电流传感器采集的电流数值，完成传感器正反行程的数据采集，并以最小二乘方法计算得出拟合曲线方程以及线性度、灵敏度、滞后性等各项静态特性，保存拟合结果。标定程序面板如图5 所示。

2.3.3 曲线显示程序设计

图5 标定程序界面

曲线显示程序用于对试验数据进行回放查看、滤波处理、标尺缩放、曲线选择等。该程序由一个事件结构完成各功能的调用，通过前面板的按钮，触发事件结构的各个子程序，来查看和处理点火数据文件。在程序中，数据被存储成LabVIEW 专有的TDMS 数据流格式，TDMS 文件将动态信号存储为二进制文件，并为每一路信号添加了若干附加信息属性，便于程序查询和分类。曲线显示程序前面板如图6 所示。

图6 曲线显示前面板

3 结论

该装置使用的是“PC +PLC”控制模式，它以PLC 为核心控制器，实现了固体火箭发动机点火的精确控制。运用LabVIEW 为开发平台，完成了控制程序的编写。既利用了PLC 控制精度好、可靠性高、抗干扰能力强的优点，又充分使用了Lab-VIEW 强大的数据处理能力与良好的可视化界面。目前该装置已成功运用于多个型号固体火箭发动机的点火试验，实现了单路点火、多路并行点火和多路串行点火功能。操作简单，安全可靠。

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