空間材料加熱實(shí)驗(yàn)的遙操作技術(shù)研究

李世其，余 昆，劉世平，朱文革，王明明

(華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院，武漢430074)

1 引言

利用在地面無法獲得長(zhǎng)期的空間微重力、超高真空和超凈等極端的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以幫助材料科學(xué)家揭示空間環(huán)境下材料形成過程中的科學(xué)規(guī)律，為科學(xué)研究提供直接的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為有規(guī)模的空間材料生產(chǎn)打下基礎(chǔ)［1］，科學(xué)地指導(dǎo)地面材料研究、生產(chǎn)和應(yīng)用［2-3］。由于空間環(huán)境和航天器的限制，空間實(shí)驗(yàn)與地面實(shí)驗(yàn)區(qū)別很大，因而人為的干預(yù)控制是提高實(shí)驗(yàn)成功率與效率的重要手段。空間環(huán)境難以預(yù)知，實(shí)驗(yàn)艙處于長(zhǎng)期無人照看的狀態(tài)，且空間材料實(shí)驗(yàn)存在樣品數(shù)量和種類增加的趨勢(shì)，加之實(shí)驗(yàn)設(shè)備故障需要排除等需求，使得空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要解決地面實(shí)時(shí)控制的問題，遙操作是解決這類需求的重要技術(shù)手段。

從20世紀(jì)70年代起，科學(xué)家開始在航天器上進(jìn)行微重力材料科學(xué)研究，在空間材料加熱實(shí)驗(yàn)方面，比較先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置有加拿大 ATEN(Advanced Thermal Environme nt)，俄羅斯 POLIZON加熱爐，日本的GHF(Gradient Heating Furnace)，歐空局低梯度爐(Low Gradient Furnace，簡(jiǎn)稱LGF)。加拿大ATEN可通過位于加拿大宇航局(CSA)載荷遙操作中心(PTOC)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行遙操作［4］;俄羅斯的POLIZON通過遙操作在地面站對(duì)加熱爐的溫度、壓力等診斷傳感器進(jìn)行監(jiān)視和控制，充分利用空間環(huán)境資源［5］。日本GHF可以通過遙操作靈活改變每一個(gè)加熱單元的位置以及完成樣品的自動(dòng)更換，其中料倉(cāng)、機(jī)械臂和樣品夾的運(yùn)動(dòng)可自動(dòng)操作或由地面進(jìn)行遙操作［6］。

國(guó)外先進(jìn)的空間材料加熱實(shí)驗(yàn)設(shè)備有許多共同點(diǎn)，基本上都使用了遙操作手段［7］。而我國(guó)的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備幾乎不具備遙操作能力，只有少數(shù)設(shè)備進(jìn)行過初步的遙操作實(shí)驗(yàn)［1］。限于天地通信鏈路尚未全程覆蓋以及受通信量的限制，我國(guó)以往的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)多采用指令注入方式，實(shí)驗(yàn)過程按預(yù)編程序進(jìn)行，且預(yù)制的程序主要按照地面的實(shí)驗(yàn)條件和預(yù)想的結(jié)果來編制;近年來我國(guó)也逐漸利用程序注入來調(diào)整、控制實(shí)驗(yàn)流程和參數(shù)，甚至更換空間材料實(shí)驗(yàn)裝置的主程序。

研究、利用遙操作技術(shù)對(duì)空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互控制是空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。文中通過研究晶體生長(zhǎng)加熱爐試驗(yàn)的遙操作系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行基于遙操作的晶體生長(zhǎng)加熱爐試驗(yàn)來對(duì)空間材料加熱實(shí)驗(yàn)的遙操作技術(shù)進(jìn)行研究。

圖1 晶體生長(zhǎng)加熱爐試驗(yàn)遙操作方案圖Fig.1 The scheme of crystal growth furnace experiment of teleoperation

2 遙操作系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 晶體生長(zhǎng)加熱爐試驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)空間站長(zhǎng)期在軌自主飛行、無航天員時(shí)艙內(nèi)空間材料加熱實(shí)驗(yàn)情形以及晶體生長(zhǎng)加熱爐試驗(yàn)對(duì)遙操作的需求，制定了遙操作試驗(yàn)方案，圖1為基于遙操作技術(shù)的晶體生長(zhǎng)加熱爐試驗(yàn)方案圖。

晶體生長(zhǎng)加熱爐試驗(yàn)運(yùn)用遙操作技術(shù)進(jìn)行控制，該遙操作系統(tǒng)由主端子系統(tǒng)、從端子系統(tǒng)、時(shí)延模擬器和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)組成。

主端子系統(tǒng)有一個(gè)集成化的遙操作控制臺(tái)，主要功能是向從端控制軟件發(fā)送控制信息，控制試驗(yàn)裝置完成樣品的加熱及取回等一系列操作，并監(jiān)視和控制樣品抓取、加熱過程中的樣品位置、速度以及溫度等參數(shù)，并可以實(shí)時(shí)發(fā)送宏指令改變這些試驗(yàn)參數(shù)。遙操作晶體生長(zhǎng)加熱爐試驗(yàn)主端子系統(tǒng)界面如圖2所示。從端子系統(tǒng)主要功能是給加熱爐控制部件發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)遙操作的目的。遙操作晶體生長(zhǎng)加熱爐試驗(yàn)從端子系統(tǒng)界面如圖3所示。試驗(yàn)中為了再現(xiàn)真實(shí)時(shí)延，需要使用時(shí)延模擬器，用以產(chǎn)生和真實(shí)情況相近的時(shí)延，使試驗(yàn)結(jié)果接近真實(shí)情況。網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)主、從端的實(shí)時(shí)通信。晶體生長(zhǎng)加熱爐裝置由外筒、反光材料、絕熱材料、加熱單元和待加熱樣品五部分構(gòu)成，用于進(jìn)行樣品的加工。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。加熱單元分為3個(gè)溫區(qū)，分別可以設(shè)置不同的溫度。晶體生長(zhǎng)加熱爐虛擬模型如圖5所示。

圖2 晶體生長(zhǎng)加熱爐試驗(yàn)主端子系統(tǒng)界面Fig.2 The main terminal system interface of crystal growth furnace experiment

圖3 晶體生長(zhǎng)加熱爐試驗(yàn)從端子系統(tǒng)界面Fig.3 The subordinate terminal system interface of crystal growth furnace experiment

從端傳感器獲取的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送回主端用于進(jìn)行溫度場(chǎng)的預(yù)測(cè)仿真，使用數(shù)值求解獲得的各個(gè)離散點(diǎn)的溫度值預(yù)測(cè)下一時(shí)刻爐內(nèi)各個(gè)溫區(qū)溫度的變化以及溫度值，且使用求解值進(jìn)行三維溫度場(chǎng)可視化，并以此為依據(jù)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程中的遙操作控制與干預(yù)，所以晶體生長(zhǎng)加熱爐試驗(yàn)的遙操作技術(shù)研究，將溫度場(chǎng)的預(yù)測(cè)仿真作為關(guān)鍵技術(shù)研究。

圖4 晶體生長(zhǎng)加熱爐結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of crystal growth furnace

圖5 模擬晶體生長(zhǎng)加熱爐虛擬模型Fig.5 Virtual model of crystal growth furnace

2.2 遙操作晶體生長(zhǎng)加熱爐試驗(yàn)溫度場(chǎng)的預(yù)測(cè)仿真

2.2.1 三維溫度場(chǎng)可視化仿真

溫度場(chǎng)是各個(gè)時(shí)刻物體中各點(diǎn)溫度分布的總稱，它是時(shí)間和空間的函數(shù)，即t=f(x，y，z，τ)［8］。空間晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中，晶體生長(zhǎng)加熱爐內(nèi)溫度場(chǎng)的分布對(duì)晶體生長(zhǎng)有著直接的影響，關(guān)系晶體生長(zhǎng)的質(zhì)量。在試驗(yàn)過程中通過反饋的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)加熱爐內(nèi)的溫度進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，可視化顯示溫度場(chǎng)，利用求解的離散溫度值進(jìn)行溫度預(yù)測(cè)，使用遙操作控制試驗(yàn)過程。圖6為晶體生長(zhǎng)加熱爐溫度場(chǎng)建模及可視化方法總體流程圖。

結(jié)合晶體生長(zhǎng)加熱爐自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加熱原理，建立晶體生長(zhǎng)加熱爐的數(shù)學(xué)模型。針對(duì)模型求解比較復(fù)雜的特點(diǎn)，采用數(shù)值求解，對(duì)棒料進(jìn)行網(wǎng)格剖分，利用熱平衡法建立每個(gè)微元體的能量守恒方程，形成迭代方程組。

在密閉空間的特殊環(huán)境下，電阻絲對(duì)棒料加熱屬于熱傳導(dǎo)和熱輻射結(jié)合的導(dǎo)熱問題，建模和求解可簡(jiǎn)明地表示為:

圖6 晶體生長(zhǎng)加熱爐溫度場(chǎng)建模及可視化方法總體流程圖Fig.6 Temperature field modeling and visualization methods of crystal growth furnace

在對(duì)所有材料進(jìn)行包括質(zhì)地均勻等一些列符合工程問題的假設(shè)基礎(chǔ)上，在圓柱坐標(biāo)系下，對(duì)棒料內(nèi)部微元體(m，n)建立離散方程(2)，用微元體m，n周圍的4個(gè)微元體的溫度來表示微元體(m，n)的溫度。

對(duì)棒料和電阻絲組成的封閉的環(huán)境進(jìn)行多表面系統(tǒng)輻射換熱計(jì)算，可以建立離散方程組:

其中，Xij為微元面間的角系數(shù)，通過數(shù)值擬合求得。整理離散方程組，可以得到Ji的表達(dá)式。對(duì)棒料表面微元環(huán)與電阻絲微元環(huán)之間的熱量交換簡(jiǎn)化處理后，得到晶體生長(zhǎng)加熱爐溫度場(chǎng)模型的控制方程組(4):

1)中間微元體

2)左邊界微元體

3)右邊界微元體

4)下邊界微元體

5)上邊界微元體

以(4)作為單值性條件，對(duì)于棒料內(nèi)部微元體采用高斯——賽德爾迭代法;對(duì)于邊界微元體，熱傳導(dǎo)部分的溫度采用上一輪迭代計(jì)算的值，把熱輻射部分的溫度作為未知量，通過迭代公式計(jì)算出它的值，作為本輪迭代計(jì)算的結(jié)果，用此分而治之的方法對(duì)單值性條件方程組進(jìn)行迭代求解。最后，用逐點(diǎn)插入法［10］，采用 Delaunay四面體作為三角網(wǎng)［11］，將數(shù)值求解得到的各個(gè)離散點(diǎn)連接成一個(gè)三角網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上，采用直接線段連接法計(jì)算繪制三角面等值線［12］、利用“Marching Tetrahedron”(MT)法計(jì)算繪制等值面，按照?qǐng)鼍皥D使OpenInventor構(gòu)建樹形場(chǎng)景［13］，向場(chǎng)景中加入網(wǎng)格化加熱爐、等值線、等值面等，實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)可視化。圖7為三維溫度場(chǎng)可視化結(jié)果。

2.2.2 加熱爐溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)技術(shù)

晶體生長(zhǎng)加熱爐試驗(yàn)中，在爐體各溫區(qū)內(nèi)壁放置幾個(gè)熱電偶用于測(cè)量樣品表面的溫度。利用各點(diǎn)的溫度進(jìn)行爐內(nèi)溫區(qū)溫度的預(yù)測(cè)，判斷樣品的當(dāng)前與未來的加熱狀況，通過遙操作指令，改變各電阻絲功率控制爐內(nèi)各溫區(qū)溫度，控制樣品的運(yùn)動(dòng)(如插入長(zhǎng)短、位置等)，改變樣品加熱時(shí)間，來控制試驗(yàn)過程。

圖7 三維溫度場(chǎng)可視化結(jié)果顯示Fig.7 Result of visualization of three-dimensional temperature field

在空間的微重力環(huán)境中，對(duì)流引起的熱交換影響可以忽略;通過空氣的傳導(dǎo)引起的熱交換遠(yuǎn)小于通過熱輻射的熱交換，爐絲到材料間的熱傳導(dǎo)也可以忽略?？梢约僭O(shè)微重力環(huán)境下爐絲到樣品之間的熱交換決定于熱輻射。

根據(jù)系統(tǒng)辨識(shí)理論［14-15］，采用相關(guān)系數(shù)法和最小二乘法對(duì)晶體爐的系統(tǒng)階次和參數(shù)辨識(shí)，取采樣周期為30 s，可得到離散時(shí)間傳遞函數(shù)矩陣(q－1是向后一步時(shí)間平移算子，q－1u(t)=u(t－1)):

其中，ui(i=1，2，3)是各溫區(qū)爐絲加熱控制的輸入數(shù)字量，范圍是［1，4853］根據(jù)輸出yi(i=1，2，3)查詢熱電偶特性表可以得到各測(cè)量點(diǎn)的溫度，并采用插值法擬合各溫區(qū)棒料表面溫度tf=f(z)。

根據(jù)所建模型，設(shè)置預(yù)測(cè)時(shí)間t，根據(jù)各個(gè)溫區(qū)的輸入數(shù)據(jù)，以及上一時(shí)間的測(cè)量和數(shù)值計(jì)算的值，通過Y(t)=G(q－1)。U(t)可以測(cè)算出隨著時(shí)間t變化，輸出數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)以及最終溫度。并把該時(shí)刻的測(cè)量數(shù)據(jù)作為下一時(shí)間的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行滾動(dòng)預(yù)測(cè)。根據(jù)預(yù)測(cè)的溫度遙操作交互控制試驗(yàn)過程。

3 試驗(yàn)描述

遙操作晶體生長(zhǎng)加熱爐試驗(yàn)的主要步驟如表1所示。表中的“*”步驟為樣品2加工前的抓手位置初始化。

試驗(yàn)中，操作者通過外設(shè)(數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器、手控器等)發(fā)送遙操作任務(wù)或指令信息，對(duì)晶體生長(zhǎng)加熱爐進(jìn)行操作，并依據(jù)視頻反饋和三維溫度場(chǎng)的分布情況以及溫度變化的預(yù)測(cè)，向從端試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)發(fā)送遙操作指令實(shí)時(shí)地修正實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如發(fā)送宏指令提前或者推遲取出樣品、通過宏指令控制樣品的插入深度以及位置、通過加熱爐裝置的控制部件遙操作改變電阻絲的功率以及各個(gè)溫區(qū)的溫度，以形成恒溫溫場(chǎng)或梯度溫場(chǎng)等方式進(jìn)行試驗(yàn)過程的遙操作監(jiān)控，使實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到預(yù)期的效果。圖8為樣品加熱過程中的溫度曲線和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，分別按時(shí)間和空間顯示溫度曲線，并且將溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。

表1 遙操作晶體生長(zhǎng)加熱爐試驗(yàn)過程Table 1 Process of crystal growth furnace experiment of teleoperation

圖8 試驗(yàn)中溫度曲線繪制與數(shù)據(jù)顯示(℃)Fig.8 Temperature profile and data in experiment(℃)

4 結(jié)論

晶體生長(zhǎng)加熱爐試驗(yàn)中，基于三維溫度場(chǎng)可視化結(jié)果和溫度預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用了遙操作技術(shù)，通過調(diào)整電阻絲功率、加熱時(shí)間、樣品的運(yùn)動(dòng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程交互控制，提高試驗(yàn)的成功率。通過遙操作控制，原本定時(shí)加熱12 h的樣品加熱時(shí)間依據(jù)交互調(diào)整有所浮動(dòng)，大部分情況下加熱時(shí)間減少，效率約提升12.5%，并且樣品的合格率較之非遙操作方式從70%提高到了接近90%。通過遙操作晶體生長(zhǎng)加熱爐試驗(yàn)，驗(yàn)證了利用遙操作技術(shù)進(jìn)行空間材料加熱實(shí)驗(yàn)的可行性和有效性，將遙操作技術(shù)應(yīng)用于空間材料加熱實(shí)驗(yàn)?zāi)芴岣邔?shí)驗(yàn)效率與成功率。

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