一種針對大尺度發(fā)射筒的溫控技術(shù)

韋 堅，王小軍，梁財海，郝欣偉

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一種針對大尺度發(fā)射筒的溫控技術(shù)

韋 堅，王小軍，梁財海，郝欣偉

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

溫控系統(tǒng)是導(dǎo)彈發(fā)射平臺控制系統(tǒng)的重要組成部分，發(fā)射筒溫控系統(tǒng)的綜合性能在導(dǎo)彈機(jī)動發(fā)射平臺可靠性、安全性等方面起著重要的作用。首先論述目前發(fā)射筒溫控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，根據(jù)發(fā)射筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大且內(nèi)部流場不均等特點，研究基于分布式光纖測溫的模糊溫控技術(shù)。通過模擬試驗和仿真分析的研究，分析溫控技術(shù)方案的可行性及有效性，探索新型溫控方式對于大尺度發(fā)射筒的適用性，這對發(fā)射筒溫控技術(shù)的發(fā)展是一項有益的嘗試。

發(fā)射筒；模糊溫控；分布式；測量

0 引 言

導(dǎo)彈作為復(fù)雜的武器裝備，為了保持其優(yōu)良的性能，對其存儲環(huán)境有嚴(yán)格的要求。溫控系統(tǒng)通過對發(fā)射筒內(nèi)的溫度進(jìn)行控制保證彈體處于適宜的環(huán)境中。隨著導(dǎo)彈等武器裝備的發(fā)展，發(fā)射筒溫控系統(tǒng)的綜合性能在導(dǎo)彈機(jī)動發(fā)射平臺可靠性、安全性以及生存能力等方面起著越來越重要的作用[1]。

發(fā)射筒作為導(dǎo)彈的載體，其長度尺寸較大，在緊湊的結(jié)構(gòu)布局下，發(fā)射筒內(nèi)壁與彈體之間間隙很小，加上支撐彈體的適配器限制，導(dǎo)致調(diào)溫氣流流通不暢，筒內(nèi)溫度場分布不均勻。采用的熱敏電阻單點測溫方式獲得的測溫值很難反應(yīng)發(fā)射筒內(nèi)溫度的分布情況，針對這種復(fù)雜的大滯后、非線性對象，難以對其進(jìn)行建模分析，因此溫控算法與控制對象匹配性不佳。目前，溫控策略主要以測溫值為依據(jù)，由于所獲的信息量少和溫控算法的匹配性問題導(dǎo)致了發(fā)射筒溫度控制的難度較大，溫度控制效果不理想。這在一定程度上制約了溫控技術(shù)的發(fā)展。

分布式光纖測溫是近年來迅速發(fā)展的一種嶄新的分布式傳感技術(shù)。若將其應(yīng)用于發(fā)射筒溫度測量，可以獲取光纖分布區(qū)域的溫度信息，實時了解筒內(nèi)溫度場的分布情況。對于大滯后、非線性的系統(tǒng)，模糊控制算法可以利用分布式測溫系統(tǒng)所獲得的溫度場信息進(jìn)行模糊推理，從而進(jìn)行發(fā)射筒溫度控制。

1 分布式光纖測溫的技術(shù)原理及分析

1.1 分布式光纖測溫技術(shù)分析

光纖測溫法由英國南安普敦大學(xué)在1981年提出，其基本原理是將感溫光纖置于待測物體上，由脈沖光源向光纖中發(fā)射一束激光脈沖，光脈沖在光纖中傳播，發(fā)生拉曼散射效應(yīng)，光纖中每一點均向后產(chǎn)生散射光，散射光包含兩種波長不同的光，分別稱之為斯托克斯光（Stokes）與反斯托克斯光（Anti-Stokes）[2]。溫度不同則拉曼散射效應(yīng)產(chǎn)生的反斯托克斯光強(qiáng)也不同，斯托克斯光對溫度基本不敏感可將其作為參考光，需將兩者采集并進(jìn)行處理，解調(diào)出溫度和位置信息。測量的溫度與散射光強(qiáng)的關(guān)系為[3,4]

在0~100 ℃范圍內(nèi)，拉曼散射的比值近似于一個線性方程，均為線性方程的系數(shù)，該方程可表示為

（3）

（5）

結(jié)合式（5），溫度關(guān)系式可表達(dá)為

（7）

根據(jù)式（8）進(jìn)行線性解調(diào)求出線性參數(shù)后，再對溫度進(jìn)行標(biāo)定，即可根據(jù)線性參數(shù)計算出各點溫度，各測溫點與初始位置的距離可以利用入射光和后向散射光的時間差進(jìn)行計算，從而實現(xiàn)各溫度點的定位。分布式光纖測溫系統(tǒng)的核心部分在于數(shù)據(jù)采集與處理，測溫系統(tǒng)主要由脈沖光源、波分復(fù)用器、APD光電轉(zhuǎn)換模塊、測溫光纖和高速數(shù)據(jù)采集卡組成。

1.2 分布式測量與點式測量的對比分析

熱敏電阻測溫法作為傳統(tǒng)的點式測量方式，廣泛應(yīng)用于逐點的測量場合，其最大的優(yōu)點是穩(wěn)定性較好。常用的Pt電阻已被國際標(biāo)準(zhǔn)ITS-90規(guī)定在961.78 ℃以下作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計使用[5]。測溫精度主要由Pt電阻精度和A/D轉(zhuǎn)換的精度決定，8位A/D轉(zhuǎn)換電路最大誤差在0.5%以內(nèi)。測溫范圍在-40~100 ℃時，測量誤差在±0.5 ℃范圍之內(nèi)。

目前分布式光纖測溫并沒有現(xiàn)行的國際標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)各個廠商提供的數(shù)據(jù)分析可知，其測溫的范圍大致在-40~200℃，測溫精度為0.5 ℃。穩(wěn)定性方面，長期運行時光源會產(chǎn)生波動，且光纖中的損耗特性和受激散射效應(yīng)，使穩(wěn)定性受到影響。分布式的測溫方式，可以便捷地獲取光纖分布區(qū)域的溫度，因此相比于點式測量，分布式光纖測溫能夠更多地反應(yīng)發(fā)射筒溫度場的信息。

2 基于分布式光纖測溫的溫控系統(tǒng)分析

將模糊控制結(jié)合分布式光纖的測溫法應(yīng)用于溫控系統(tǒng)時，溫控系統(tǒng)模糊控制的基本原理如圖1所示。對于多變量的系統(tǒng)，由于人的思維通常不超過三維，因此多變量模糊控制器的設(shè)計一般要進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解以利于理論上的設(shè)計和功能結(jié)構(gòu)上的實現(xiàn)[6]。

圖1 溫控系統(tǒng)模糊控制基本原理

溫控系統(tǒng)中有3個輸入量和2個輸出量，它們是作為模糊語言變量存在，這樣的語言變量應(yīng)用于模糊控制的方式可以通過五元體進(jìn)行表征，其中環(huán)境溫度的五元體如圖2所示。

由圖2可知，環(huán)境溫度如何從語言變量映射至相應(yīng)的數(shù)值論域，在完成語言變量至數(shù)值論域的映射之后，即可通過設(shè)定相應(yīng)的模糊控制規(guī)則，進(jìn)行推理邏輯設(shè)定，進(jìn)而實現(xiàn)模糊控制器的推理設(shè)計。

圖2 環(huán)境溫度語言變量的映射關(guān)系

對于多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）模糊控制器，其規(guī)則庫有如下形式[7,8]：

（11）

因此，所有條模糊控制規(guī)則的總模糊蘊(yùn)涵關(guān)系為

（13）

完成輸入、輸出的隸屬函數(shù)和模糊控制規(guī)則的設(shè)計后，即可得到控制器的輸入輸出特性曲面如圖3所示。

圖3反映了通過模糊控制規(guī)則推理出的進(jìn)風(fēng)口溫差值、溫度場方差和循環(huán)風(fēng)量的關(guān)系。從圖3可知，循環(huán)風(fēng)量主要的影響因素為溫度場溫度值的方差，方差表征的是一個溫度場的均勻程度，方差輸入量大時，需要較大的風(fēng)量使流場能進(jìn)行對流從而達(dá)到熱平衡。綜上，模糊控制器的設(shè)計合理。

圖3 模糊控制輸出特性曲面

在Labview平臺上對分布式光纖測溫系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，通過算法對散射光強(qiáng)進(jìn)行解調(diào)和溫度標(biāo)定，同時對光纖光路的損耗進(jìn)行指數(shù)補(bǔ)償。分布式測溫系統(tǒng)的測溫效果通過試驗的方法進(jìn)行驗證，將測溫光纖置于溫度為27.4 ℃的環(huán)境中，并從中抽取6 m的光纖置于初始溫度為41.5 ℃的水域中，分布式測溫效果曲線如圖4所示。

圖4 分布式測溫系統(tǒng)測溫效果

圖4中，在測量27.4 ℃的環(huán)境溫度時，最大測溫值為28.2 ℃、最小測溫值為26.7 ℃、水域溫度為41.5 ℃時，可以看到尖峰部分的溫度為42.06 ℃，從控制系統(tǒng)角度，測溫精度基本能夠滿足系統(tǒng)的要求。

下面通過模擬試驗的方式，對溫控系統(tǒng)進(jìn)行分析，將測溫系統(tǒng)所得值（見圖4）作為模糊控制器的輸入，其中0~20 m的測溫平均值作為環(huán)境溫度值，30~80 m測溫值作為發(fā)射筒內(nèi)的溫度值，75~85 m測溫平均值作為回風(fēng)口的溫度值。根據(jù)上述輸入得到的溫控系統(tǒng)輸出如圖5所示。

圖5 模擬試驗溫控系統(tǒng)輸入和輸出關(guān)系

由圖5可知，根據(jù)測溫值可求得回風(fēng)口溫差值為-2.4 ℃（參考值22 ℃），溫度場溫度方差為0.557，環(huán)境溫度為27.1 ℃，控制的目標(biāo)為保持發(fā)射筒內(nèi)的溫度為15~30 ℃時，溫控系統(tǒng)的輸出為加熱、制冷量約為0，循環(huán)風(fēng)量為0.7?？刂破魍ㄟ^風(fēng)量對溫差較大的情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，而不進(jìn)行加熱、制冷的調(diào)溫動作，使系統(tǒng)能夠達(dá)到一個合理的平衡狀態(tài)。

若是采用點式測溫值作為溫控的判定依據(jù)，則難以判斷筒內(nèi)溫度場的情況，因此控制效果并不理想。

3 結(jié) 論

利用分布式光纖測量發(fā)射筒內(nèi)的溫度，可以簡捷地獲知發(fā)射筒內(nèi)溫度分布情況，結(jié)合模糊控制策略，通過模擬試驗分析表明，此種溫控方式更能隨筒內(nèi)溫度的變化進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。研究基于分布式光纖測溫的模糊控制技術(shù)對于提升溫控技術(shù)水平是有益的嘗試，同時也能夠為探索發(fā)射筒溫控系統(tǒng)的發(fā)展提供思路。

[1] 李健, 常曉權(quán), 劉君. 遠(yuǎn)程導(dǎo)彈發(fā)射平臺生存能力淺談[J]. 飛航導(dǎo)彈, 2011(7): 80-84.

[2] 李軍, 卞超, 吳珺. 電力電纜光纖測溫在線監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 江蘇電機(jī)工程, 2005, 24(1): 6-7.

[3] 李建中, 饒云江, 冉曾令. POTDR分布式光纖傳感及其在安防監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 光子學(xué)報, 2009,38(11): 2789-2791.

[4] 侯培國. 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的理論與實驗研究[D]. 秦皇島: 燕山大學(xué), 2003.

[5] 楊偉濤, 苗風(fēng)東, 倪邦發(fā). 基于ARM的熱敏電阻溫度計的設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2007(8): 59．

[6] 周其鑒, 李祖樞, 陳民軸. 智能控制及其展望[J]. 信息與控制, 1987(2): 39-45.

[7] 倪桂杰, 郭巧菊. 基于模糊控制器控制規(guī)則的提取[J]. 自動化儀表, 2002, 23 (3): 17-20.

[8] 王耀南, 孫煒, 等. 智能控制理論及應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

Temperature Control Technology ofLarge-scale Launcher Canister

Wei Jian, Wang Xiao-jun, Liang Cai-hai, Hao Xin-wei

(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

Temperature control system is an important part of the missile launch platform. The comprehensive feature of the system plays an important role in reliability, security and other aspects of missile mobile platform. This paper discusses the current status of the tube temperature control system, according to the complex structure of launcher canister, the large size and the uneven problem of internal flow field, the research is mainly focused on fuzzy temperature control technology based on distributed fiber optic temperature measurement. By researching the simulation experiment and simulation analysis, this paper analyzes of the feasibility and effectiveness of the new control technology and explores the applicability of new control way for large-scale launcher canister, which is a useful attempt for temperature control development.

Launcher canister; Fuzzy temperature control; Distribution; Measurement

1004-7182(2016)03-0089-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160321

V553

A

2015-08-14；

2015-10-20

韋 堅（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向為智能控制算法及分布式測量技術(shù)