基于無線傳感器測量的轉(zhuǎn)換裝置同步控制系統(tǒng)研究

王趙帥，邢 然，劉麗媛，王闊傳，韓 琪

（1. 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076；2. 北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京，100076）

關(guān)鍵字：活動發(fā)射平臺；轉(zhuǎn)換裝置；無線傳輸；同步控制

0 引 言

活動發(fā)射平臺轉(zhuǎn)換裝置用于實現(xiàn)平臺行走狀態(tài)和定位狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，行走狀態(tài)下發(fā)射平臺載荷作用于輪組，到達(dá)發(fā)射陣地后，通過轉(zhuǎn)換裝置觸地頂升活動發(fā)射平臺本體令輪組離地，使得火箭加注及起飛時對活動發(fā)射平臺的載荷通過轉(zhuǎn)換裝置傳導(dǎo)至地面，減輕行走裝置及軌道的壓力。轉(zhuǎn)換裝置動作是基于“三垂”發(fā)射方式的運(yùn)載火箭在發(fā)射測試流程中必要動作，轉(zhuǎn)換裝置的同步控制是活動發(fā)射平臺關(guān)鍵技術(shù)之一。

轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)采用基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的集中控制方案，為提高系統(tǒng)靈活性和維護(hù)性，減少系統(tǒng)配套電纜數(shù)量，提升狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程工作效率，采用基于無線傳感器測量方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)換裝置高度反饋測量。本文著重對無線測量傳輸技術(shù)及轉(zhuǎn)換裝置全自動同步控制策略進(jìn)行介紹。

1 轉(zhuǎn)換裝置控制原理

轉(zhuǎn)換裝置采用多個支腿同步升降方式實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，由液壓馬達(dá)驅(qū)動大負(fù)載螺旋傳動機(jī)構(gòu)完成升降動作。轉(zhuǎn)換過程分為預(yù)升、同升、同降、回收4個流程，預(yù)升過程中通過預(yù)設(shè)高度值控制各支腿觸地，為同升動作做準(zhǔn)備，同升動作時各支腿同步運(yùn)動將平臺頂升至預(yù)設(shè)高度，同降、回收動作是同升、預(yù)升動作的逆流程。轉(zhuǎn)換裝置動作流程如圖1所示，各動作流程可在控制系統(tǒng)控制下自動完成。

圖1 轉(zhuǎn)換裝置動作流程Fig.1 Action Flow of the Conversion Device

活動發(fā)射平臺轉(zhuǎn)換裝置支腿分布及控制原理示意如圖2所示。為方便描述轉(zhuǎn)換裝置各支腿的位置及運(yùn)動方向，按如圖順序標(biāo)記支腿編號為1～8號。

圖2 轉(zhuǎn)換裝置支腿分布及控制原理Fig.2 The Distribution of the Legs and the Control Principle of the Conversion Device

活動發(fā)射平臺采用八點(diǎn)支撐，同升動作屬于過自由度運(yùn)動，為避免因運(yùn)動不同步導(dǎo)致箭體姿態(tài)變化或應(yīng)力集中，同升過程中需對各支腿的伸長量進(jìn)行同步控制，保證各支點(diǎn)在同一水平面內(nèi)動作。各支腿均安裝位移傳感器用于實時反饋支腿伸長量，為同步控制提供依據(jù)?；跓o線傳感器測量的同步控制系統(tǒng)組成如圖3所示，系統(tǒng)主要由拉線位移傳感器、無線發(fā)射設(shè)備、無線接收設(shè)備、主控計算機(jī)、可編程邏輯控制器（PLC）、放大板等部分組成。

圖3 轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of the Conversion Device Control System

轉(zhuǎn)換裝置運(yùn)動過程中，控制系統(tǒng)同時控制各支腿油路的比例方向閥，通過調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)流量實現(xiàn)各支腿運(yùn)動速度的控制。拉線位移傳感器用于測量各支腿伸長量，測量結(jié)果經(jīng)無線發(fā)射設(shè)備轉(zhuǎn)換為無線信號發(fā)出，無線接收設(shè)備接收無線信號并通過RS485串行總線將信號傳輸至主控計算機(jī)，實現(xiàn)對各支腿的位置監(jiān)測。主控計算機(jī)與PLC組成控制核心，用于運(yùn)行同步控制算法，完成同步控制。

2 無線傳感器測量技術(shù)

無線傳感器測量技術(shù)在火箭測發(fā)控領(lǐng)域取得了一定的應(yīng)用，如發(fā)射塔架位移以及溫濕度監(jiān)測、火箭燃料加注監(jiān)控等，主要用于解決地面電纜網(wǎng)布設(shè)困難的問題。將無線傳輸測量技術(shù)引入活動發(fā)射平臺轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)中，可以使系統(tǒng)布置更加靈活，且測量系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化不影響系統(tǒng)整體架構(gòu)，系統(tǒng)靈活性、拓展性強(qiáng)，傳感器布置、撤收方便，易于維護(hù)維修，有助于提升流程效率。

2.1 無線測量原理

無線傳感器測量子系統(tǒng)由無線網(wǎng)關(guān)、無線中繼器、無線傳感器節(jié)點(diǎn)等設(shè)備組成，通過射頻通信技術(shù)實現(xiàn)無線測量系統(tǒng)內(nèi)的時鐘統(tǒng)一和信號傳輸。系統(tǒng)采用SUB-1G射頻技術(shù)，無線設(shè)備配備鞭狀天線，在滿足控制系統(tǒng)實時性與通訊速率要求的同時，具備較好的抗遮擋能力和較遠(yuǎn)的通信距離。

無線傳感器測量子系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向圖如圖4所示。

圖4 無線傳感器測量子系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向圖Fig.4 Data Flow of Wireless Sensor Measurement Subsystem

無線測量子系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向及工作流程如下：

a）無線網(wǎng)關(guān)加電后發(fā)送無線同步信號，中繼器和各無線節(jié)點(diǎn)接收無線同步信號；

b）中繼器接收無線同步信號后即刻轉(zhuǎn)發(fā)同步信號，無線節(jié)點(diǎn)接收到網(wǎng)關(guān)或中繼器的同步信號后完成時間同步；

c）完成時間同步的節(jié)點(diǎn)按系統(tǒng)統(tǒng)一時間基準(zhǔn)，分時發(fā)送測量數(shù)據(jù)，不同節(jié)點(diǎn)間按照分時復(fù)用（TDMA）方式完成無線數(shù)據(jù)發(fā)送；

d）節(jié)點(diǎn)發(fā)送的測量數(shù)據(jù)可直到無線網(wǎng)關(guān)，也可經(jīng)過中繼器轉(zhuǎn)發(fā)后到達(dá)無線網(wǎng)關(guān)；

e）網(wǎng)關(guān)接收到測量數(shù)據(jù)后通過485串行總線定時發(fā)送至控制計算機(jī)。

無線中繼器、無線傳感器節(jié)點(diǎn)由內(nèi)置可充電電池供電，為確保無線測量設(shè)備電池能量滿足單次任務(wù)流程的使用需求，系統(tǒng)分為實時工作模式和休眠模式。

實時工作模式下，無線測量系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)完成時鐘同步，無線傳感器定時發(fā)送測量數(shù)據(jù)，中繼器接收數(shù)據(jù)包后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。休眠模式下，無線測量系統(tǒng)處于無線電靜默狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)耗電電流可控制在μA級。無線采集器和中繼器定時開啟射頻接收，搜索到同步信號后激活，轉(zhuǎn)為實時工作模式。

2.2 冗余抗干擾技術(shù)

活動發(fā)射平臺控制系統(tǒng)對可靠性和信息傳輸實時性有較高要求，為同時保證實時性和可靠性要求，無線傳感器測量子系統(tǒng)采用了頻分多址（FDMA）和時分多址（TDMA）相結(jié)合的冗余抗干擾技術(shù)。

TDMA指以信號傳輸時間的不同建立多址的方式。無線傳感器測量系統(tǒng)以同步時鐘技術(shù)為基礎(chǔ)，確保無線網(wǎng)關(guān)、中繼器和無線傳感器節(jié)點(diǎn)在同一時間基準(zhǔn)下工作，在此基礎(chǔ)上將傳輸信道進(jìn)行時間分割以傳送若干話路信息，系統(tǒng)按一定次序輪流給各節(jié)點(diǎn)分配一段利用信道的時間。FDMA指把總帶寬分隔為多個正交信道，各節(jié)點(diǎn)可利用正交信道實現(xiàn)信息冗余傳輸。

本系統(tǒng)采用TDMA與FDMA結(jié)合的冗余抗干擾通訊技術(shù)，在時鐘同步的基礎(chǔ)上通過TDMA實現(xiàn)信息傳輸?shù)膹?qiáng)時效性，通過跳頻技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜哂唷Ｌl技術(shù)實現(xiàn)FDMA最大的技術(shù)難點(diǎn)在于系統(tǒng)內(nèi)部各獨(dú)立部分跳頻時間的同步，本系統(tǒng)采用令牌式的協(xié)調(diào)機(jī)制，網(wǎng)關(guān)發(fā)出的同步數(shù)據(jù)包包含同步信息和跳頻次序表，信號收發(fā)方在統(tǒng)一的時鐘下按順序同步跳頻，實現(xiàn)同步收發(fā)。冗余抗干擾通信流程示意如圖5 所示。為避免對發(fā)射場其他無線通信設(shè)備造成干擾，選用914～917 MHz頻段進(jìn)行跳頻。

圖5 冗余抗干擾通信流程Fig.5 Redundant Anti-jamming Communication Process

2.3 錯誤陷阱技術(shù)

控制系統(tǒng)通過冗余抗干擾技術(shù)保證無線通信可靠不受到外部干擾，但是在極端惡劣的環(huán)境下，數(shù)字系統(tǒng)的內(nèi)部時序、存儲的關(guān)鍵數(shù)據(jù)仍有可能受到干擾導(dǎo)致錯誤，影響系統(tǒng)的功能實現(xiàn)及設(shè)備安全?？刂葡到y(tǒng)采取了錯誤陷阱技術(shù)來防止極端情況發(fā)生。錯誤陷阱技術(shù)可分為3個層次：

a）錯誤重啟技術(shù)：監(jiān)測到關(guān)鍵數(shù)據(jù)錯誤、關(guān)鍵故障時，系統(tǒng)重啟并重新組網(wǎng)，可能會導(dǎo)致小部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，但是重啟后系統(tǒng)可重新正常工作；

b）錯誤丟棄技術(shù)：監(jiān)測到數(shù)據(jù)錯誤，系統(tǒng)自動丟棄該數(shù)據(jù)；

c）錯誤恢復(fù)技術(shù)：監(jiān)測到系統(tǒng)錯誤，系統(tǒng)能夠?qū)﹀e誤進(jìn)行修正并恢復(fù)工作。

控制系統(tǒng)采用錯誤重啟技術(shù)和錯誤丟棄技術(shù)應(yīng)對無線測量系統(tǒng)極端錯誤情況。系統(tǒng)設(shè)計的錯誤重啟技術(shù)能保證1 s內(nèi)整個系統(tǒng)恢復(fù)正常工作，如系統(tǒng)監(jiān)測到空中數(shù)據(jù)包錯誤，采取丟棄的方式，由于本系統(tǒng)中無線信道的冗余性，數(shù)據(jù)不會丟失，系統(tǒng)仍可正常工作。

為驗證錯誤監(jiān)測技術(shù)和錯誤陷阱技術(shù)有效性，系統(tǒng)研制過程開展了大量的在極端情況下的錯誤模擬測試（見表1）。試驗表明錯誤陷阱技術(shù)可很大程度避免極端情況對控制系統(tǒng)影響，使系統(tǒng)具備自我恢復(fù)能力。

表1 極端情況下模擬試驗結(jié)果Tab.1 Simulation test Results in Extreme Cases

為保證系統(tǒng)在極端情況系統(tǒng)的可靠工作，本系統(tǒng)所有單機(jī)均設(shè)計了兩路看門狗計時器（WDT），其中單片機(jī)采用內(nèi)部自帶的WDT，其復(fù)位周期為軟件可調(diào)，另外單機(jī)內(nèi)單片機(jī)復(fù)位電路上連接了一個硬件WDT，其復(fù)位周期為硬件設(shè)置，軟件不可設(shè)置。

在系統(tǒng)設(shè)計中，內(nèi)外WDT采用了分級設(shè)計機(jī)制，即如果出現(xiàn)故障，內(nèi)部WDT先行啟動，在內(nèi)部WDT不能正常工作的時候，外部WDT強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位，后續(xù)軟件機(jī)制保證問題單機(jī)或者整個系統(tǒng)的正常工作。雙重的WDT機(jī)制保證了系統(tǒng)能夠可靠快速恢復(fù)故障。

3 同步控制流程及算法

轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)采用全自動主從同步控制策略實現(xiàn)各支腿的位置同步性控制。主從同步指多個需要同步運(yùn)動的對象以其中一個對象的輸出作為基準(zhǔn)，對其進(jìn)行跟蹤以達(dá)到運(yùn)動同步?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)目標(biāo)值自動調(diào)節(jié)各支腿運(yùn)動狀態(tài)，到達(dá)目標(biāo)值后自動停止流程，實現(xiàn)“一鍵式”控制。

3.1 控制流程

控制系統(tǒng)通過控制各支腿液壓回路比例方向的開度調(diào)節(jié)其運(yùn)動速度，系統(tǒng)以1號支腿伸長量為參考進(jìn)行主從同步控制。轉(zhuǎn)換裝置降的過程為動作反向，控制原理及策略一致。本節(jié)主要以升過程為例進(jìn)行描述，預(yù)升、同升控制流程示意如圖6所示。

圖6 預(yù)升、同升控制流程Fig.6 Control Process of the Pre-upgrade and Synchronous-upgrade

轉(zhuǎn)換裝置在初始位置先進(jìn)行預(yù)升控制流程。控制系統(tǒng)依據(jù)測得的預(yù)升高度值分別控制各支腿啟停。當(dāng)任意轉(zhuǎn)換裝置支腿到達(dá)預(yù)升設(shè)定高度后，該轉(zhuǎn)換裝置停止運(yùn)動，直到8組支腿均到達(dá)設(shè)定高度后，預(yù)升流程自動停止。

同升動作以預(yù)升動作確定平面為基準(zhǔn)，設(shè)定同升目標(biāo)值后可實現(xiàn)全自動同步控制，執(zhí)行以1號支腿伸長量為基準(zhǔn)的自動同步閉環(huán)控制運(yùn)動。運(yùn)動過程中2～8號支腿伸長量若大于判斷閾值上限則降低相應(yīng)支腿的比例閥開度，進(jìn)而降低運(yùn)動速度，反之亦然。當(dāng)8組轉(zhuǎn)換裝置均達(dá)到設(shè)定同升高度后，同升過程自動停止。

3.2 同步控制算法

轉(zhuǎn)換裝置全自動同步控制算法分為同步控制算法和位置控制算法兩部分，控制原理示意如圖7所示。

圖7 同步控制原理框圖Fig.7 Principle of Synchronous Control

控制系統(tǒng)對液壓的輸出流量進(jìn)行控制。采用PID調(diào)節(jié)參數(shù)：根據(jù)經(jīng)驗范圍，設(shè)定基本的初值，通過模擬或閉環(huán)運(yùn)行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各環(huán)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿意的響應(yīng)，從而確定PID參數(shù)。反饋誤差參量為位移。建立公式模型如下：

控制系統(tǒng)對液壓的輸出流量進(jìn)行控制。采用PID調(diào)節(jié)參數(shù)：根據(jù)經(jīng)驗范圍，設(shè)定基本的初值，通過模擬或閉環(huán)運(yùn)行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各環(huán)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿意的響應(yīng)，從而確定PID參數(shù)。反饋誤差參量為位移。建立公式模型如下：

式中，分別為標(biāo)準(zhǔn)支腿（1號支腿）的初始高度和實時測量高度；，分別為隨動支腿（2～8號支腿）初始高度和實時測量高度；，分別為標(biāo)準(zhǔn)腿、隨動腿的高度變化值；為偏差比例系數(shù)；Δ為位置反饋PID中的偏差值；為初始設(shè)定流量值；為流量調(diào)節(jié)系數(shù)，依據(jù)經(jīng)驗獲得；′為調(diào)整后的流量值。

控制過程中選取固定轉(zhuǎn)換裝置為標(biāo)準(zhǔn)支腿作為基準(zhǔn)，將其動作曲線認(rèn)為是理想曲線；隨動支腿作為跟隨，按照理想曲線調(diào)整。計算隨動支腿和標(biāo)準(zhǔn)支腿的變換高度誤差，將誤差Δ反饋到隨動支腿的流量控制中，反復(fù)調(diào)整得到最佳的輸出曲線。同時在同步控制過程中對誤差Δ進(jìn)行監(jiān)控，使其保持在±0.5 mm的范圍內(nèi)，保障同步控制誤差精度。

4 試驗結(jié)果

前文介紹的基于無線傳感器測量的轉(zhuǎn)換裝置同步控制系統(tǒng)在某型號活動發(fā)射平臺上得到了應(yīng)用，其中無線測量部分采用拉線位移傳感器與無線發(fā)射模塊結(jié)合的形式實現(xiàn)位移信號的無線傳輸，且無線模塊具有與多種傳感器配合的能力，接口靈活、拓展性強(qiáng)。

首先對無線傳感器測量子系統(tǒng)通訊距離及可靠性進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出無線傳感器測量子系統(tǒng)具有較大的傳輸距離和較強(qiáng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的冗余抗干擾技術(shù)可有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性。

表2 無線傳感器測量子系統(tǒng)可靠性現(xiàn)場試驗Tab.2 Reliability Test of Wireless Sensor Measurement Subsystem

在一定流量、壓力下啟動同升流程，設(shè)定同升期望值為30 mm，同升過程位移偏差閾值指標(biāo)為0.5 mm，即隨動支腿與參考支腿的位移偏差不超過±0.5 mm。同升過程中各支腿的位移-時間變化曲線如圖8a所示，運(yùn)動過程中隨動支腿與標(biāo)準(zhǔn)支腿最大位置偏差絕對值曲線如圖8b所示。

圖8 同升過程數(shù)據(jù)曲線Fig.8 Data Curve of the Synchronous-upgrade Process

從圖8可以看出，試驗結(jié)果與控制策略一致，隨動支腿以標(biāo)準(zhǔn)支腿伸長量為參考自動調(diào)整運(yùn)動速度，運(yùn)動同步性良好，最大位移偏差為0.46 mm，滿足同升位移偏差閾值要求。

5 結(jié) 論

本文首先介紹了運(yùn)載火箭活動發(fā)射平臺轉(zhuǎn)換裝置的系統(tǒng)組成和控制原理，闡述了引入無線傳感器測量技術(shù)的背景和目的，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了無線測量子系統(tǒng)的測量原理和冗余抗干擾技術(shù)、錯誤陷阱技術(shù)等可靠性保障技術(shù)，介紹了控制系統(tǒng)組成及多支腿全自動同步控制策略與算法，經(jīng)過實際測試試驗表明，無線測量子系統(tǒng)通訊可靠性良好，控制策略及算法滿足轉(zhuǎn)換裝置同步控制指標(biāo)要求，實現(xiàn)了系統(tǒng)配套優(yōu)化和效率提升的目標(biāo)。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某型號活動發(fā)射平臺中，并完成了火箭的發(fā)射任務(wù)。