◆李 鵬 陳 菡 康奧峰 / 文
QC案例:星敏支架精密控溫研究
◆李 鵬 陳 菡 康奧峰 / 文
編者按
上海衛(wèi)星工程研究所是我國(guó)氣象衛(wèi)星的搖籃,成立至今已研制和發(fā)射40多顆衛(wèi)星,“星辰”QC小組主要由航天器熱控設(shè)計(jì)師組成,曾多次獲得全國(guó)、上海市、航天系統(tǒng)優(yōu)秀質(zhì)量管理小組榮譽(yù)。本案例獲得2016年上海市QC小組發(fā)表賽特等獎(jiǎng)。
FY-4衛(wèi)星是我國(guó)新一代高精度氣象衛(wèi)星,星敏感器是衛(wèi)星進(jìn)行高精度姿態(tài)測(cè)量和軌道控制的重要儀器,其安裝支架在不穩(wěn)定溫度場(chǎng)下的結(jié)構(gòu)熱變形,將引起星敏光學(xué)頭部整體剛性位移,如離軸、離焦和相對(duì)傾斜,給星敏光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量精度帶來極大影響。為了保證衛(wèi)星姿態(tài)確定精度,減小星敏支架熱變形,需保證支架溫度在17℃~23℃范圍內(nèi),穩(wěn)定性優(yōu)于±0.1℃/15min。
QC小組圍繞“基于星敏支架微熱變形需求的空間熱控技術(shù)”主題,開展頭腦風(fēng)暴,集思廣益,分析形成3個(gè)備選課題:柔性高導(dǎo)熱材料技術(shù)、全被動(dòng)熱控技術(shù),以及精密控溫技術(shù)。小組從技術(shù)能力、資源需求、技術(shù)難度及應(yīng)用前景等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。
通過評(píng)估,精密控溫技術(shù)的控溫能力最強(qiáng)、適應(yīng)性最好、綜合得分最高。因此確定本次QC活動(dòng)的課題為:星敏支架精密控溫研究。結(jié)合型號(hào)背景需求及當(dāng)前技術(shù)能力,對(duì)標(biāo)“十三五”航天熱控領(lǐng)域發(fā)展規(guī)劃,確定課題目標(biāo)為:精密控溫系統(tǒng)控溫精度優(yōu)于±0.1℃。
QC小組針對(duì)控溫精度的三個(gè)關(guān)鍵影響因素溫度采集與標(biāo)定、控制算法、輸出控制,進(jìn)行了目標(biāo)可行性分析。經(jīng)理論分析結(jié)合國(guó)外研制經(jīng)驗(yàn),通過以下技術(shù)集成應(yīng)用,可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于±0.1℃的控溫精度,接近國(guó)外±0.03℃水平:
1)采用高精度鉑電阻代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱敏電阻作為測(cè)溫傳感器,預(yù)計(jì)測(cè)溫精度從0.3℃提高到0.01℃~0.1℃,并通過高精度溫度采集與標(biāo)定電路消除測(cè)溫誤差;
2)采用先進(jìn)控制算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)開關(guān)控制方式可極大提高控制精度與穩(wěn)定性,從±0.5℃提高到±0.05℃;
3)采用高頻控制輸出,縮短控制周期,進(jìn)一步提高控制精度與穩(wěn)定性。
根據(jù)本課題高精度、自適應(yīng)控溫的特點(diǎn),產(chǎn)品研制分解為三個(gè)主要研究模塊:高精度溫度采集與標(biāo)定、自適應(yīng)控制理論與算法、高精細(xì)化輸出控制。
(1)高精度溫度采集與標(biāo)定
選取線性度、穩(wěn)定性、互換性好、響應(yīng)時(shí)間短的四線制鉑電阻作為測(cè)控溫傳感器,這需合理地調(diào)理電路進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換與校準(zhǔn)。經(jīng)分析,選擇700uA恒流源激勵(lì)電流,16位A/D轉(zhuǎn)換器,并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)通道+算法修正。
QC小組開展了誤差處理方法對(duì)比試驗(yàn)。采用鉑電阻測(cè)量恒溫槽裝置(溫度精度0.01℃)內(nèi)溫度。結(jié)果表明:采用“標(biāo)準(zhǔn)電阻+算法修正”時(shí)測(cè)溫偏差小于0.05℃,僅采用“算法修正”時(shí)測(cè)溫偏差大于0.3℃,“無(wú)算法修證”時(shí)測(cè)溫偏差大于0.5℃。
(2)自適應(yīng)控制理論與算法
控制算法選?。核惴ㄊ菍?shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)高精度、高穩(wěn)定、高自適應(yīng)控制的關(guān)鍵。小組基于Matlab平臺(tái)搭建了控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型,對(duì)不同PID算法的控溫效果進(jìn)行了仿真。引入瞬態(tài)外熱流以及擾變內(nèi)功耗考察算法抗干擾能力。實(shí)驗(yàn)顯示,在內(nèi)外擾動(dòng)下,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制穩(wěn)定性優(yōu)于±0.05℃,顯著優(yōu)于傳統(tǒng)位置式PID(±0.15℃)、增量式PID(±0.1℃)。
QC小組開展驗(yàn)證試驗(yàn):采用空調(diào)吹風(fēng)模擬對(duì)控制對(duì)象的擾動(dòng)。在外界擾動(dòng)下,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制穩(wěn)定性和抗干擾能力顯著優(yōu)于傳統(tǒng)PID。
參數(shù)整定及優(yōu)化方案:PID參數(shù)Kp、Ki是決定超調(diào)量、穩(wěn)定時(shí)間等控制性能的關(guān)鍵。對(duì)算法初始參數(shù)Kp、Ki合理的整定與優(yōu)化,可以迅速建立精確、穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。經(jīng)小組仿真分析表明,采用單純型ITSE方法參數(shù)整定超調(diào)量0.1℃,穩(wěn)定時(shí)間約40min; Ziegler-Nichol法超調(diào)量、穩(wěn)定時(shí)間分別為0.5℃、100min。因此,參數(shù)整定優(yōu)化采用單純型ITSE方法。
(3)高精細(xì)化輸出控制
輸出頻率選?。涸诩訜崞骺刂屏浚≒WM)輸出端采用高頻處理,使加熱器開關(guān)控制無(wú)限近似于連續(xù)的電流控制,可極大提高控制穩(wěn)定性。QC小組開展了頻率對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明,頻率越高控溫穩(wěn)定性越好,500Hz以上頻率時(shí)控制效果十分接近,均優(yōu)于±0.03℃。450Hz以下控制出現(xiàn)波動(dòng),超出±0.1℃。考慮軟、硬件資源需求,確定輸出頻率為高頻500Hz。
安全開關(guān)選?。盒l(wèi)星上常用的加熱器開關(guān)控制器件為繼電器和MOS管。為滿足高速脈寬調(diào)制下長(zhǎng)期可靠工作7年,且開關(guān)響應(yīng)時(shí)間盡量短要求,經(jīng)分析選用MOS管。
PWM調(diào)制方案選?。篜WM調(diào)制量在每個(gè)周期內(nèi)的分布情況影響最終控制效果,經(jīng)分析確定采用均衡分布方式實(shí)現(xiàn)控制穩(wěn)定。小組進(jìn)行了PWM調(diào)制方案的對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果表明:采用PWM均衡分布控制效果明顯優(yōu)于集中分布方式,控制穩(wěn)定性優(yōu)于±0.03℃。
經(jīng)過對(duì)模塊研制方案的分析篩選,最終確定了最佳設(shè)計(jì)方案(見表1),制定了對(duì)策表(見表2)。
QC小組依據(jù)上述對(duì)策表對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了實(shí)施。
高精度溫度采集與標(biāo)定模塊實(shí)施。小組成員編制鉑電阻加工技術(shù)要求,明確四線制鉑電阻要求,并對(duì)鉑電阻進(jìn)行驗(yàn)收,所有鉑電阻精度均優(yōu)于0.03℃。
小組成員編制鉑電阻溫度采集電路技術(shù)要求,明確了700uA恒流源及允許偏差、16位A/D轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵項(xiàng)目要求,全程參與裝調(diào)過程,確保電路設(shè)計(jì)、元器件規(guī)格等符合要求。
小組開展單板測(cè)溫試驗(yàn)和誤差修正驗(yàn)證試驗(yàn),結(jié)果表明:恒流源電流700±1uA,偏差0.15%;測(cè)溫分辨率優(yōu)于0.01℃,均滿足要求;采用“標(biāo)準(zhǔn)通道+算法修正”方法,測(cè)溫精度、穩(wěn)定性偏差均≤0.03℃,優(yōu)于±0.05℃,滿足要求。
自適應(yīng)控制理論與算法模塊實(shí)施。小組制定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法流程,并基于控制對(duì)象Matlab動(dòng)態(tài)模型,利用單純型ITSE法獲得了整定后初始參數(shù)范圍:Kp=1.4~1.6,Ki=0.03~0.05。為進(jìn)一步提高參數(shù)選擇精度,減小超調(diào)量并縮短響應(yīng)時(shí)間,小組通過正交試驗(yàn)確定最優(yōu)解:Kp=1.6、Ki=0.03。
表1 最佳方案
表2 對(duì)策表
小組隨后開展了軟件對(duì)接測(cè)試,控制對(duì)象初始溫度約0℃,控溫目標(biāo)為20℃。測(cè)試表明:控溫精度優(yōu)于±0.1℃,控溫初始超調(diào)0.33℃,響應(yīng)時(shí)間約20min(6000采樣序列)。
高精細(xì)化輸出控制模塊實(shí)施。QC小組成員編制輸出電路技術(shù)要求,明確PWM控制量采用500Hz輸出頻率,開關(guān)控制元件采用MOS管,PWM控制周期內(nèi)均衡分布要求。小組進(jìn)行了輸出模塊單板電測(cè)以驗(yàn)證輸出頻率。結(jié)果表明:模塊中PWM輸出頻率為500Hz。小組利用示波器對(duì)輸出模塊PWM分布波形進(jìn)行了測(cè)試,PWM在控制周期內(nèi)完全均勻分布,平均度100%。
圖1 控溫對(duì)象溫度結(jié)果控制圖
小組根據(jù)對(duì)策表完成了3個(gè)模塊的研制及驗(yàn)證,通過系統(tǒng)集成得到精密控溫原理樣機(jī),搭建了星敏精密控溫試驗(yàn)系統(tǒng),開展了專項(xiàng)真空熱試驗(yàn),依據(jù)衛(wèi)星在軌條件進(jìn)行了轉(zhuǎn)移軌道、春秋分、夏至等試驗(yàn)工況,全面考核精密控溫系統(tǒng)性能。由試驗(yàn)結(jié)果控制圖(見圖1)可知,除在控制起始階段(40min內(nèi))僅有的個(gè)別點(diǎn)外,其余試驗(yàn)期間內(nèi)溫度在20±0.03℃范圍內(nèi)。說明精密控溫系統(tǒng)可靠性高,抗干擾能力強(qiáng)。
對(duì)課題目標(biāo)(±0.1℃)進(jìn)行過程能力分析,過程能力指數(shù)Cp=(TUTL)/6S=5.13,過程能力富余較多。如按當(dāng)前國(guó)際最先進(jìn)水平±0.03℃計(jì)算Cp=1.71>1.67,過程能力仍富余。
至此,小組成員通過密切協(xié)作,本次QC課題目標(biāo)圓滿完成!
經(jīng)核算,本次QC活動(dòng)共花費(fèi)15.4萬(wàn)元。所研制的精密控溫裝置,控溫達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,可廣泛應(yīng)用于高精度遙感衛(wèi)星平臺(tái)及載荷,具有巨大的直接和間接效益。
通過本次QC活動(dòng),小組成員在質(zhì)量意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)、技術(shù)能力、QC知識(shí)、團(tuán)隊(duì)精神和工作熱情等方面都有了不同程度的提高。
本次QC課題活動(dòng)總計(jì)形成分析論證報(bào)告、設(shè)計(jì)報(bào)告、試驗(yàn)報(bào)告等技術(shù)文件15份,發(fā)表研究論文兩篇,申請(qǐng)相關(guān)專利一篇。
(作者單位:上海衛(wèi)星工程研究所)