低温推进剂利用系统仿真平台设计与应用

高 晨，刘博龙，刘 洋，刘 秉，李 聃

（1. 北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2. 中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

0 引 言

采用双组元推进剂的液体运载火箭，存在着由于两种推进剂加注量偏差引起的加注混合比偏差和飞行过程中由于干扰因素引起的发动机混合比偏差。为了确保有效载荷入轨，必须留有足够的推进剂安全余量，以克服上述偏差对有效载荷入轨概率的影响，从而导致火箭的运载能力降低。为了减少推进剂安全余量，提高火箭的运载能力，推进剂利用系统成为了液体运载火箭的重要组成部分。推进剂利用系统根据测量的液位高度，计算出推进器两组元的剩余量，并由控制机根据给定的控制方程输出调节阀门控制信号，利用调节发动机燃烧混合比控制推进剂的剩余混合比，尽可能地减少关机时燃烧剂或氧化剂的剩余质量。

1 低温推进剂利用系统仿真技术现状

低温推进剂利用系统作为一个典型的闭环控制系统，如图1所示，其系统方案的制定、参数的选择需要经过计算、分析、试验等多个环节，型号长期缺乏有效的验证手段，一些型号也用数学仿真对低温推进剂利用系统进行总体仿真验证[1]，验证结果表明：

a）某些关键设备难以掌控其技术状态，无法建立较为精确的数学模型，只能将其直接接入仿真系统；

b）为了更好地验证软硬件配合的工作情况，设计了半实物仿真平台用于对低温推进剂利用系统方案进行仿真。

图1 低温推进剂利用系统控制回路组成示意Fig.1 Compose of the Cryogenic Propellant Utilization System

2 总体架构规划及仿真流程设计

低温推进剂利用系统仿真平台总体设计架构（见图2）主要包括利用系统设计工具、液位采集仿真系统、调节器仿真系统、发动机仿真系统、仿真测试系统，各个功能模块分别运行在 CPCI硬件平台上，采用Matlab+RTW 的实时模型建模方式，依靠反射内存网络或以太网构成系统通信网络。

图2 低温推进剂利用系统仿真平台总体设计架构Fig.2 Architecture Design of the Cryogenic Propellant Utilization System Simulation Platform

低温推进剂利用系统仿真平台能够模拟仿真不同混合比偏差情况下利用系统的工作过程，能够实时监测利用系统模拟调节器的工作情况和发动机仿真系统的工作情况，提供全面的数据进行控制方程和参数的设计和修改，同时可以模拟故障注入，验证利用系统在各种故障下的工作情况。具体功能如下：

a）辅助利用系统方案论证与参数设计；

b）验证利用系统闭环性能，并实现数据实时监测；

c）提供推进剂液位测量算法设计、仿真平台；

d）提供利用系统控制算法设计、仿真平台；

e）提供利用系统真实设备的测试平台；

f）搭建利用系统单机快速原型，并实现飞行代码的快速加载；

g）仿真发动机流量变化并实现实时监测和评估；

h）友好的人机界面，能够快速完成利用系统诸元计算；

i）利用系统软件采用模块化设计，且规范软件模块之间的接口，便于软件和模块功能维护和升级；

j）支持故障注入。

图3为开展仿真时的流程，整个仿真以推进剂质量变化为主线，通过质量到容积、到液位传感器信号、到测量高度、贮箱容积、质量偏差、再到阀门调节指令的计算输出。

图3 低温利用系统仿真时流程Fig.3 Simulation Procedure of the Cryogenic Propellant Utilization System Simulation Platform

3 模块设计

3.1 利用系统设计工具

利用系统设计工具运行在利用系统设计工作站上，由仿真分析软件、诸元计算软件、快速原型代码生成等软件模块组成。实现利用系统诸元自动生成，完成利用系统参数的总体设计与仿真，为液位采集仿真系统、箭机仿真系统、调节器仿真系统提供阀门控制算法参考，为发动机仿真系统提供火箭动力学仿真封装库。

3.2 利用系统仿真测试系统

仿真测试系统是进行利用系统半实物仿真测试的主控系统，由总控计算机、数据库服务器及相关软件构成，实现对系统仿真模式、仿真流程的控制，对仿真数据进行存储、管理与回放。提供利用系统各仿真模块实时仿真的平台，记录试验数据并提供实时数据监测，提供利用系统各仿真模块实时仿真的硬件通路，完成对全系统仿真的操作控制，记录试验数据并提供实时数据监测、测试数据分析和报告自动生成等功能。

3.3 利用系统箭机仿真系统

箭机仿真系统采用DSP+FPGA架构进行设计，通过DSP配置文件实现箭机原型快速下载，替代仿真闭环回路中的部分仿真模块，实现箭上真实信号的测试与验证，为考核真实利用系统箭机提供测试环境。

3.4 利用系统调节器仿真系统

调节器仿真系统依据系统同步信息从光纤反射内存网络读取来自液位采集仿真系统的液位高度信号，进行剩余推进剂质量计算，根据控制器模型和阀门调节算法计算结果，将阀门控制调节结果以数字信号形式输出供下级仿真单元使用。

3.5 利用系统液位采集系统

利用系统液位采集系统主要依据系统同步信息从光纤反射内存网络接收发动机仿真模块输出的流量和晃动信息，通过模拟利用系统箭上传感器的采集、信息转换和处理功能，为利用系统仿真及测试模拟生成各贮箱的推进剂液位信号。

3.6 箭体动力学及发动机仿真系统

发动机仿真系统依据系统同步信息从光纤反射内存网络读取来自调节器仿真系统的阀门调节信息，根据发动机数字仿真模型和箭体晃动六自由度仿真模型，产生实际的推进剂流量数字信号和液位晃动信息数字信号，并将相关信号发送到光纤反射内存网络供液位采集仿真系统使用。

4 半实物仿真平台的验证

建立某型号低温推进剂利用系统模型，利用系统箭机仿真系统采用某型号真实利用控制机开展仿真试验，使用某发真实装订的数据开展地面复现仿真，验证该仿真平台的正确性。通过在贮箱液位上叠加一个峰值为5 mm、频率为1.5 rad/s的正弦波来模拟液位晃动。仿真结果与实际飞行数据比对如图4～6所示。

图4 氢箱三角波电压曲线比对特性曲线Fig.4 Compare of Voltage of the Hydrogen Tank Sensor

图5 氢箱液位高度变化曲线比对特性曲线Fig.5 Compare of Liquid Level of the Hydrogen Tank

图6 氧箱液位高度变化曲线比对特性曲线Fig.6 Compare of Liquid Level of the Oxygen Tank

图6 中仿真为实时算出所有参数，而实际飞行仅在低温推进剂利用系统启控后才开始计算，所以曲线在开始段略有不同。图7为B值变化与阀门调节状态的仿真结果。

从图 7可以看出，氢、氧箱三角波电压变化和液位高度变化的仿真曲线与实际飞行大致相同，整个仿真基本上达到了对某型号低温推进剂设计方案进行验证的目的。而仿真的 B值变化与阀门调节状态与实际飞行不尽相同，存在差异原因主要有：a）液位传感器模型存在差异，实际使用的液位传感器存在着较强且未被认识的非线性特性；b）由于发动机模型存在天地差异性，该模型未被精确建模。正是由于以上原因，导致仿真的 B值变化与阀门调节状态与实际飞行不尽相同，如需完成需要较精确的模型。

图7 仿真B值变化曲线与阀门调节状态特性曲线Fig.7 Compare of the B Value and the Valve State

5 结 论

本文在CPCI硬件平台上，使用Matlab+RTW的实时模型建模方式，依靠反射内存网络进行通信，用模块化的方法建立了低温推进剂利用系统半实物仿真平台，最后对所建仿真模型进行测试。仿真结果表明，半实物仿真平台达到了对低温推进剂利用系统设计方案进行验证的目的。在后续的研究工作中，一方面将采用真实的液位传感器浸泡在液氮贮箱中，另一方面将加入过载引起的推进剂流量变化等天地差异性的因素引入模型，逐步修正模型使其更为精确，对利用系统的整体性能效果进行考核。