一種三模冗余數(shù)字式增壓控制器研究

李 亮，劉 倩，龔 敏，榮為君，胡斌星

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

目前以美歐為首的航天強國，正在發(fā)展大推力、大直徑、無毒無污染、高可靠性運載火箭，比較有代表性的是美國SPACE X 公司2019 年4 月成功完成重型獵鷹火箭首次商業(yè)飛行，起飛推力達2 500 噸。我國目前也在大力發(fā)展一系列新型運載火箭，以大幅提高運載能力，比較有代表性的是大型運載火箭長征五號。

增壓系統(tǒng)是液體大型運載火箭的重要分系統(tǒng)之一，其性能的改善與提升對火箭整體性能的改善起著重要的作用。增壓系統(tǒng)主要給液體推進劑貯箱提供氣枕壓力，保證液體推進劑在火箭發(fā)動機點火及飛行階段能夠順利進入發(fā)動機中，通過氣體填充可以使貯箱擁有一定的剛度，滿足結(jié)構(gòu)承重時所需的內(nèi)部壓力。發(fā)動機工作時，增壓氣瓶氣體進入貯箱內(nèi)，占據(jù)推進劑空間，進而把推進劑擠壓出去[1-3]。

傳統(tǒng)機械式增壓方式主要為壓力信號器和繼電器以及減壓器和壓力調(diào)節(jié)器組合增壓等。壓力信號器和繼電器組合增壓主要通過壓力信號器敏感貯箱壓力，通過信號器的通斷觸點控制相關(guān)電磁閥的開關(guān)，從而實現(xiàn)壓力的控制[4-5]。減壓器和壓力調(diào)節(jié)器組合增壓通過壓力調(diào)節(jié)器感受貯箱壓力，通過調(diào)節(jié)器的開度調(diào)節(jié)實現(xiàn)對增壓氣體的流量控制，整個飛行過程貯箱壓力受控，截止閥頻繁開閉。這兩種增壓方式存在產(chǎn)品多、單機設(shè)計難度大、測試工作量大、工作適應(yīng)性不強、無法二次裝訂壓力參數(shù)等問題。

該文在充分調(diào)研國內(nèi)外液體運載火箭增壓方案基礎(chǔ)上開展設(shè)計工作，并基于某型號一級煤油箱開展系統(tǒng)設(shè)計工作，明確了壓力傳感器和繼電器組合的新型數(shù)字式增壓控制方案。

1 增壓輸送系統(tǒng)設(shè)計

針對一級煤油貯箱增壓需求，設(shè)計一種新型傳感器控制閉式增壓輸送系統(tǒng)，如圖1 所示，增壓輸送系統(tǒng)包含增壓控制器、電磁閥、數(shù)字式壓力傳感器、氦氣瓶、節(jié)流圈、安全閥以及配套的氣路等。首先貯箱中的數(shù)字式壓力傳感器實時采集當前壓力數(shù)據(jù)，并將壓力數(shù)據(jù)傳送到增壓控制器中，增壓控制器中的處理單元，對壓力數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理后，經(jīng)三取二算法模塊，通過控制常通路、調(diào)節(jié)路及備份路電磁閥的工作，達到調(diào)節(jié)貯箱壓力的目的，使貯箱壓力維持在設(shè)定的壓力帶中。該增壓控制器采用冗余設(shè)計，包含三路相互獨立的CPU 控制模塊，任意兩路正常工作即可保證系統(tǒng)增壓能力滿足要求，因此可以大幅提高系統(tǒng)的可靠性[6-8]。

圖1 增壓系統(tǒng)壓力傳感器控制方案示意圖

2 增壓控制器方案設(shè)計

增壓控制器方案如圖2 所示。增壓控制器由完全相同且互相隔離的3 個CPU 控制單元及3 個表決單元組成。壓力傳感器通過485 總線將壓力數(shù)據(jù)送入控制單元供CPU 實時采集，CPU 將采集到的傳感器值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的壓力數(shù)值，經(jīng)數(shù)據(jù)合理性處理及濾波后，送入判斷模塊進行判斷，得出相應(yīng)的控制結(jié)果。系統(tǒng)包含三路數(shù)字式壓力傳感器，分別送入3 個獨立的CPU 模塊進行相關(guān)決策控制。三路CPU 輸出的控制指令經(jīng)三取二模塊后，分別對常通路、調(diào)節(jié)路和備份路電磁閥進行相關(guān)驅(qū)動控制[9-10]。

圖2 增壓控制器原理框圖

軟件的壓力閾值由常通路、調(diào)節(jié)路和備份路接通、關(guān)斷壓力值決定，可以根據(jù)不同任務(wù)靈活調(diào)整。

相對于傳統(tǒng)機械式增壓方案，該方案具有以下優(yōu)勢：壓力參數(shù)裝訂靈活，只需通過軟件修改壓力控制帶參數(shù)即可；可以持續(xù)監(jiān)測射前傳感器的狀態(tài)，而傳統(tǒng)增壓方案單元測試完成后即無法進行狀態(tài)監(jiān)測；經(jīng)過通用化設(shè)計后，單類增壓控制器即可滿足多型火箭的需求，具有很好的通用性[11]。

2.1 CPU及外圍電路設(shè)計

CPU 選用帶60 kBit FLASH、1 kB RAM 的8 位微控制器STC12C5A60S2。該芯片是一種單時鐘/機器周期（T1）的8 位微控制器，其指令系統(tǒng)與8051 完全兼容，相比普通單片機速度快8～12 倍，且具有兩路全雙工的串行口，可通過外接RS485 接口芯片后與壓力傳感器進行通信，同時將壓力傳感器信號通過另一路串口傳送到遙測系統(tǒng)。為防止軟件跑飛或程序進入死循環(huán)，在軟件內(nèi)配置看門狗。

系統(tǒng)供電采用三路完全隔離的電源模塊，每路中都含有獨立的濾波模塊及5 V DC/DC 模塊，這樣可以做到三路CPU 模塊之間的嚴格獨立，增加系統(tǒng)的可靠性和冗余度[12]。

2.2 485數(shù)字壓力傳感器

根據(jù)一級煤油貯箱增壓實際情況，需選擇壓力范圍為0～1 Mpa 壓力傳感器，考慮到測試精度及抗干擾性，選用傳感器、變換器一體化的485數(shù)字壓力傳感器。該傳感器可將測量的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為485 格式數(shù)據(jù)，經(jīng)異步串行半雙工通信接口輸出。測量精度選擇全溫區(qū)誤差不大于0.5%即可，工作溫度在-40～125 ℃范圍內(nèi)。

2.3 三取二模塊設(shè)計

三取二冗余表決模塊是壓力控制器的重要單元，用于控制單元輸出的常通路、調(diào)節(jié)路和備份路三路控制信號進行三取二表決，實現(xiàn)電磁閥的通斷控制。其可靠性直接決定了系統(tǒng)是否具有高可靠性，表決系統(tǒng)采用6 個繼電器串并聯(lián)組合，如圖3 所示。繼電器的正端接電源，負端連單片機控制IO 端,由于單片機引腳驅(qū)動能力較弱，需要在單片機引腳與繼電器之間接驅(qū)動芯片，以提高單片機驅(qū)動能力。每路CPU 控制I/O 同時接2 個繼電器線圈，6 個繼電器組成三取二冗余網(wǎng)絡(luò)。通過繼電器實現(xiàn)冗余控制的目的。該表決結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性，任意一路控制信號有誤只影響本路控制的2 個繼電器，而不會造成表決失效。常通路、調(diào)節(jié)路和備份路三取二表決單元完全相同[13]。

圖3 表決單元示意圖

3 軟件設(shè)計

數(shù)字式壓力傳感器每隔20 ms 將采集到的壓力數(shù)據(jù)通過485 總線發(fā)送給CPU，增壓控制軟件采用200 ms濾波周期，使用最小二乘法濾波。CPU 接收到壓力傳感器數(shù)據(jù)后，首先判斷該壓力數(shù)據(jù)是否在誤差范圍內(nèi)(可根據(jù)傳感器精度，合理地選擇誤差范圍)，且該壓力數(shù)據(jù)需要與上一濾波周期的結(jié)果進行比較（當前一濾波周期結(jié)果為0時，可忽略此步驟）[14]。軟件設(shè)計中定義每個濾波周期有效的壓力數(shù)必須大于等于5 個，此時判斷該周期壓力數(shù)據(jù)有效，可以參與后續(xù)增壓控制。否則直接將該周期數(shù)據(jù)剔除，控制程序執(zhí)行上一周期壓力結(jié)果并等待下一周期數(shù)據(jù)到來[15]。對3 個控制結(jié)果進行三取二表決，輸出控制信號，完成驅(qū)動電磁閥工作。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

4 實驗驗證

本次實驗所進行的實驗工況見表1，考核一級煤油箱增壓在正常狀態(tài)和故障狀態(tài)情況下，能否控制壓力到正常范圍帶。

表1 實驗工況表

實驗前，通過地面配氣臺供氣，將貯箱壓力穩(wěn)定在0.81 MPa 左右。實驗?zāi)M一級煤油箱真實增壓過程，前20 s 運行在高壓力范圍帶，20 s 后運行在低壓力范圍帶，如圖5 所示，左側(cè)圖曲線為測量系統(tǒng)采集到的壓力曲線，右側(cè)圖為壓力控制器采集到的壓力曲線。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在以下5 個工作模式中，遙測系統(tǒng)采集的壓力數(shù)據(jù)曲線和壓力控制器采集的數(shù)據(jù)曲線基本一致。在故障模式1、2、3 中，程序可以自主控制相應(yīng)的電磁閥動作，從而使壓力值維持在相應(yīng)的壓力帶，與設(shè)計要求一致。在故障模式4中，1 路壓力傳感器故障，通過三取二冗余模塊，成功規(guī)避了錯誤，達到了預(yù)期的設(shè)計要求。

圖5 多故障模式下增壓控制器壓力曲線

5 結(jié)論

基于三模冗余的數(shù)字式增壓控制器，可通過軟件靈活地設(shè)置貯箱壓力帶，提高了系統(tǒng)的精度和靈活性，通過三冗余設(shè)計可以顯著提高系統(tǒng)可靠性，可以確保在單路出現(xiàn)故障的情況下，系統(tǒng)正常工作[16]。通過實驗驗證了數(shù)字式增壓控制方案的合理、可行，可完成正常工作和任意路電磁閥打不開或關(guān)不上狀態(tài)下系統(tǒng)的工作需求，表明增壓控制軟件邏輯的正確性。多路冗余傳感器任意一路傳感器出現(xiàn)故障，不影響系統(tǒng)增壓壓力的控制，驗證了控制器“三取二”邏輯的正確性。實驗結(jié)果表明數(shù)字式壓力傳感器增壓系統(tǒng)替代現(xiàn)有機械式增壓系統(tǒng)的可行性，可以適應(yīng)多型號的增壓需求。