能源雙冗余系統(tǒng)及其控制策略*

張仲良，田 歡，房 成 ，紀(jì)寶亮 ，張鑫彬，方沁林

(1.上海航天控制技術(shù)研究所·上海·201109；2.上海伺服系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心·上海·201109)

0 引 言

電液閥控伺服系統(tǒng)因比功率電傳伺服系統(tǒng)具有更高的頻響、更易實(shí)現(xiàn)冗余、更好的控制剛度，被廣泛應(yīng)用于運(yùn)載火箭推力矢量系統(tǒng)的大功率執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，例如土星V、宇宙神V、太空發(fā)射系統(tǒng)(Space Launch System,SLS)、長征系列火箭、聯(lián)盟系列火箭和阿里安V等。目前,國內(nèi)外運(yùn)載火箭電液伺服系統(tǒng)能源供應(yīng)主要有兩種，第一種為直接引流高壓燃料并進(jìn)行限流變壓形成恒定壓力油源;第二種為通過渦輪泵驅(qū)動液壓泵形成高壓恒定油源。大部分能源端都無冗余設(shè)計(jì)，僅有少部分進(jìn)行了相關(guān)研究并形成了產(chǎn)品。例如美國Ares I上面級電液伺服系統(tǒng)，兩套伺服系統(tǒng)能源互為冗余，主要通過渦輪泵、變速箱驅(qū)動恒壓變量泵，并在后面管路上進(jìn)行冗余，而恒壓變量泵和變速箱沒有冗余，且選擇閥采用液動方式，僅適用于故障時壓力一直下降狀態(tài)，一旦壓力在某個狀態(tài)出現(xiàn)波動會導(dǎo)致誤切現(xiàn)象，從而無法形成穩(wěn)定的壓力源，因此具有一定的局限性。我國CZ-5運(yùn)載火箭電液伺服系統(tǒng)也采用了一套能源冗余機(jī)構(gòu)，液氧煤油發(fā)動機(jī)高壓煤油通過液動機(jī)給伺服系統(tǒng)提供能源，中間能量由液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為液壓能供伺服系統(tǒng)使用，能量轉(zhuǎn)換次數(shù)多，效率較低，高精密元器件多，可靠性低，質(zhì)量大。兩臺伺服系統(tǒng)能源通過互聯(lián)實(shí)現(xiàn)能源冗余，但是一旦其中一路管路或閥門故障而引發(fā)泄漏，將會使兩臺系統(tǒng)能源同時失效，無法提供伺服系統(tǒng)能源，從而形成致命危害。

液氧煤油發(fā)動機(jī)具有推力大、燃料便宜、可重復(fù)利用等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，是國內(nèi)外運(yùn)載火箭一級、二級采用的主力機(jī)型。其伺服系統(tǒng)大部分直接引流高壓煤油作為能源，無電機(jī)、泵、電池等能源組件，且質(zhì)量小、可靠性高，因此其能源部分指液氧煤油發(fā)動機(jī)高壓引流口至伺服閥入口段能源調(diào)節(jié)系統(tǒng)。針對電液伺服系統(tǒng)上述能源冗余問題，本文提出了一種新型的能源雙冗余結(jié)構(gòu)，并配套相應(yīng)的控制策略，從而大大提高伺服系統(tǒng)的可靠性。

1 工作原理

如圖1所示，定值減壓閥2、高安閥3、過濾器4、壓力傳感器5、能源選擇閥6、伺服閥7、位移傳感器8和液壓缸9組成伺服機(jī)構(gòu)A；定值減壓閥12、高安閥13、過濾器14、壓力傳感器15、能源選擇閥16、伺服閥17、位移傳感器18和液壓缸19組成伺服機(jī)構(gòu)B。兩伺服機(jī)構(gòu)分別通過高低壓軟管1/10和11/20直接引流發(fā)動機(jī)EN1和EN2的高壓能源，并通過高壓軟管1/11、定值減壓閥3/13和精油濾4/14形成恒壓油源，因此單套伺服機(jī)構(gòu)能源調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由高壓軟管、定值減壓閥和精油濾串聯(lián)組成，一旦其中一個元件出現(xiàn)故障，伺服閥入口供油壓力將無法保證，從而會影響伺服系統(tǒng)的負(fù)載和控制性能。因此，本文提出了一種新型能源雙冗余系統(tǒng)，主要包括壓力傳感器5/15、能源選擇閥6/16、高壓軟管21和22、ECU23以及相應(yīng)控制算法。伺服機(jī)構(gòu)A能源調(diào)節(jié)段分別連接能源選擇閥6的常開端和能源選擇閥16的常閉端，伺服機(jī)構(gòu)B能源調(diào)節(jié)段分別連接能源選擇閥16的常開端和能源選擇閥6的常閉端。

1/11 高壓軟管，2/12 定值減壓閥,3/13 高安閥,4/14 精油濾，5/15 壓力傳感器,6/16 能源選擇閥,7/17 伺服閥,8/18 位移傳感器,9/19 液壓缸，10/20 低壓軟管,21/22 高壓冗余軟管,23 控制器圖1 能源雙冗余直接引流伺服系統(tǒng)原理Fig.1 Energy double redundant principle of direct drainage servo system

根據(jù)伺服系統(tǒng)對能源冗余技術(shù)的要求和控制策略可行性考慮，提出如下邏輯雙門限控制策略：

1)兩伺服機(jī)構(gòu)通過壓力傳感器5/15檢測正常時，能源選擇閥6/16處于失電狀態(tài)，發(fā)動機(jī)EN1和EN2分別為伺服機(jī)構(gòu)A和B提供各自高壓能源。

2)當(dāng)伺服機(jī)構(gòu)A壓力傳感器5檢測壓力低于p1時，ECU23控制能源選擇閥6得電，切換油路，發(fā)動機(jī)EN1能源被切斷，發(fā)動機(jī)EN2同時為伺服機(jī)構(gòu)A和B供能；當(dāng)伺服機(jī)構(gòu)A壓力傳感器5檢測壓力高于p2時，ECU23控制能源選擇閥6失電，發(fā)動機(jī)EN1和EN2分別為伺服機(jī)構(gòu)A和B提供各自高壓能源。

3)當(dāng)伺服機(jī)構(gòu)B壓力傳感器15檢測壓力低于p1時，ECU23控制能源選擇閥16得電，切換油路，發(fā)動機(jī)EN2能源被切斷，發(fā)動機(jī)EN1同時為伺服機(jī)構(gòu)A和B供能；當(dāng)伺服機(jī)構(gòu)B壓力傳感器15檢測壓力高于p2時，ECU23控制能源選擇閥16失電，發(fā)動機(jī)EN1和EN2分別為伺服機(jī)構(gòu)A和B提供各自高壓能源。

由圖1可知，單套伺服機(jī)構(gòu)只需在無能源冗余伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個能源選擇閥和一根高壓軟管，并配套上述能源選擇控制算法，即可實(shí)現(xiàn)整套能源端完全冗余，部件少，質(zhì)量小，能夠?qū)崿F(xiàn)故障隔離，可靠性高，是一種理想的伺服系統(tǒng)能源冗余方案。

2 試驗(yàn)原理

為驗(yàn)證上述能源冗余方案的可行性和邏輯雙門限控制策略的正確性，提出了圖2所示測試方案。其中1為能源泵站；2和3為電比例減壓閥，可將能源泵站工作壓力一分為二，調(diào)節(jié)至需要的恒定工作壓力，分別模擬伺服閥主油路和副油路油源；4和5為節(jié)流閥；6和7為壓力傳感器，可檢測減壓后兩路系統(tǒng)工作壓力；8和9為單向活門；10為被測能源選擇閥；11為壓力傳感器，檢測能源選擇閥出口工作壓力；12為流量傳感器，檢測能源選擇閥10出口工作流量；13為節(jié)流閥，模擬伺服閥節(jié)流口；14為控制器，執(zhí)行能源冗余控制策略，試驗(yàn)臺控制程序采用商業(yè)軟件LabView編寫。

1 油源,2/3 電比例減壓閥,4/5/13 節(jié)流閥,6/7/11 壓力傳感器,8/9 單向活門,10 能源選擇閥,12 流量傳感器,14 控制器圖2 能源選擇冗余技術(shù)試驗(yàn)原理圖Fig.2 Experimental schematic diagram of energy redundancy technology

如圖2所示，調(diào)節(jié)油源1、電比例減壓閥2和3、節(jié)流閥13使節(jié)流閥13入口工作壓力和流量分別為額定壓力24MPa和額定流量40L/min，控制器14根據(jù)檢測到兩路壓力傳感器6/7的工作壓力和試驗(yàn)工況要求控制能源選擇閥10進(jìn)行工作位切換，從而實(shí)現(xiàn)測試能源選擇閥各種性能及控制策略的目的。根據(jù)測試方案完成試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)如圖3和圖4所示。

1 能源選擇閥,2/5/7 壓力傳感器,3 流量傳感器,4/6/10 節(jié)流閥,8/9 電比例減壓閥,11 回油口,12 入油口圖3 試驗(yàn)臺液壓部分試驗(yàn)裝置圖Fig.3 Hydraulic product of test bench

圖4 試驗(yàn)臺控制器部分試驗(yàn)裝置圖Fig.4 Controller product of test bench

3 控制策略驗(yàn)證

系統(tǒng)工作壓力為24MPa，通過程序指令將上下門限值設(shè)定為18MPa、12MPa，并將電比例減壓閥2出口壓力下降至12MPa以下，間隔一段時間升至18MPa以上，試驗(yàn)曲線如圖5所示。

圖5 能源冗余切換功能試驗(yàn)曲線Fig.5 Energy redundant switching function test curves

由圖5分析可知，能源選擇閥10初始狀態(tài)失電，比例減壓閥2/3失電，比例減壓閥2與能源選擇閥10出口相通，比例減壓閥3與能源選擇閥10出口不通。因沒有通電，比例減壓閥2/3出口工作壓力和能源選擇閥10出口壓力基本相等，比例減壓閥2出口工作壓力與能源選擇閥10出口壓力有一定的差值，主要原因?yàn)槟茉催x擇閥10閥口節(jié)流作用所致。

當(dāng)通過調(diào)節(jié)比例減壓閥2先導(dǎo)級電流使比例減壓閥2出口工作壓力逐漸降低，能源選擇閥10出口工作壓力也隨之降低，比例減壓閥2主閥開口逐漸減小，能源選擇閥10出口工作流量也逐漸減小。當(dāng)比例減壓閥2出口工作壓力降低至12MPa以下時，能源選擇閥10通過控制策略自動得電，能源選擇閥10出口工作壓力迅速上升并與比例減壓閥3出口壓力相等，出口工作流量也迅速上升至初始狀態(tài)，即可判斷能源選擇閥10閥芯工位確實(shí)出現(xiàn)切換，切換后比例減壓閥2出口工作壓力逐漸處于穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)通過調(diào)節(jié)比例減壓閥2先導(dǎo)級電流使比例減壓閥2出口工作壓力逐漸上升直至超過18MPa時，能源選擇閥10出口工作壓力迅速降低至比例減壓閥2出口壓力狀態(tài)，能源選擇閥10通過控制策略自動失電，工作流量也迅速下降。主要原因是比例減壓閥2開口未完全打開，出口工作壓力也未升高至24MPa，隨著比例減壓閥2出口工作壓力逐漸升高，開口逐漸增大，能源選擇閥10出口工作壓力也逐漸升高，工作流量也逐漸上升。

因此，能源選擇閥在邏輯雙門限控制策略條件下能夠順利地進(jìn)行功能切換。進(jìn)一步放大圖5模擬主油路故障局部關(guān)鍵部分如圖6所示。

圖6 切換試驗(yàn)局部放大曲線(壓力故障)Fig.6 Local amplification curves of switching test(pressure fault)

由圖6可知，當(dāng)比例減壓閥2出口工作壓力下降到11.5MPa以下時，能源選擇閥通過控制策略自動得電，但有一定的延遲，這主要是因?yàn)槌绦蛎?ms采集一個點(diǎn)，整個指令周期為100ms。而程序以每個指令周期第一個采集點(diǎn)為判斷點(diǎn)，當(dāng)恰好在指令周期第一個采集點(diǎn)的工作壓力小于12MPa時，延遲一個程序周期，能源選擇閥會迅速得電；當(dāng)在指令周期內(nèi)其他點(diǎn)采集到時，則會延遲到第二個周期區(qū)判斷，判斷完后，再延遲一個程序周期，從而執(zhí)行指令。因此，一般采集到工作壓力后都會有1～2個指令周期的延遲，能源選擇閥10才會得電。

當(dāng)能源選擇閥10得電后，其出口工作壓力具有一定的延遲，然后迅速切換比例減壓閥3出口的工作壓力狀態(tài)，延遲原因是能源選擇閥切換死區(qū)和響應(yīng)時間。切換后比例減壓閥3出口壓力有一定的下降，下降值約1.5MPa，同時比例減壓閥2出口壓力有一定的上升，上升值約4MPa，隨后又逐漸下降到一個穩(wěn)定值12.3MPa，也比切換前工作壓力(11.5MPa)要高。

進(jìn)一步放大圖5模擬主油路故障恢復(fù)局部關(guān)鍵部分如圖7所示。

圖7 切換試驗(yàn)局部放大曲線(壓力故障恢復(fù))Fig.7 Local amplification curves of switching test(pressure failure recovery)

由圖7可知，當(dāng)比例減壓閥2出口工作壓力上升到18.5MPa以上時，延遲1～2個指令周期后，能源選擇閥10失電。能源選擇閥切換響應(yīng)后，能源選擇閥10出口工作壓力將變回比例減壓閥2出口壓力狀態(tài)，并迅速下降，下降原因?yàn)殚y口突然開啟造成流量跟不上，隨后又恢復(fù)到壓力穩(wěn)定值17.2MPa，比切換前工作壓力18.5MPa略低。

綜上所述，能源選擇閥10在壓力下降沿切換后，比例減壓閥2出口壓力(模擬主油路油源壓力)會上升(約4MPa)；在壓力上升沿切換回比例減壓閥2出口壓力狀態(tài)，其出口工作壓力會出現(xiàn)一定下降(約1.3MPa)。因此，如果僅定一個門限值12MPa或18MPa，都會造成能源選擇閥在12MPa或18MPa來回不停地切換，導(dǎo)致伺服系統(tǒng)伺服閥入口無法獲得有效恒定能源，從而影響伺服系統(tǒng)工作性能指標(biāo)。

4 防死區(qū)誤切策略

4.1 死區(qū)誤切現(xiàn)象

由圖7可知，當(dāng)能源選擇閥10由副油路切換至主油路時，能源選擇閥出口工作壓力隨能源選擇閥10主油路入口壓力急劇下降，小于下門限值12MPa，原因?yàn)槟茉催x擇閥死區(qū)，雖然持續(xù)時間極短，但有可能會再次切換至副油路，如圖8所示。

圖8 主油路故障恢復(fù)誤切現(xiàn)象曲線Fig.8 The fault switching phenomenon of first oil circuit fault recovery

由圖8可知，當(dāng)主油路工作壓力升高至18MPa以上時，能源選擇閥斷電，能源選擇閥10切回主油路工作狀態(tài)，隨比例減壓閥2出口壓力而急劇下降至12MPa以下，能源選擇閥10延遲后得電，延遲原因見第4節(jié)分析。能源選擇閥10又切回副油路，即能源選擇閥10出口工作壓力隨比例減壓閥3出口壓力而變化，當(dāng)主油路工作壓力即比例減壓閥2出口工作壓力上升至18MPa以上時，能源選擇閥10又失電。能源選擇閥10再次切回主油路，即出口工作壓力隨比例減壓閥2出口壓力而變化，從而會多次造成能源選擇閥10的誤切現(xiàn)象，實(shí)際工作過程中絕不允許出現(xiàn)此種現(xiàn)象。因此，需要進(jìn)行邏輯雙門限控制策略的優(yōu)化，防止誤切現(xiàn)象。

由第4節(jié)分析可知，能源選擇閥的切換必須采用邏輯雙門限控制策略，但是如果雙門限值差值過小也會造成誤切現(xiàn)象。設(shè)定邏輯雙門限值控制策略下門限值為10MPa，上門限值為14MPa，進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 門限值差值過小誤切現(xiàn)象曲線Fig.9 The fault switching phenomenon of small threshold difference

由圖9可知，當(dāng)比例減壓閥2出口即主油路入口壓力低于10MPa時，電磁閥得電，能源選擇閥10出口壓力與比例減壓閥3出口壓力即副油路狀態(tài)相同；但比例減壓閥2出口即主油路工作壓力也會迅速升高至14.5MPa，此時按控制策略電磁閥失電，能源選擇閥10出口壓力又與比例減壓閥2出口壓力即主油路狀態(tài)相同。如此反復(fù)下去，則能源選擇閥10會不停地進(jìn)行反復(fù)切換，伺服系統(tǒng)實(shí)際工作過程中絕不允許出現(xiàn)此種現(xiàn)象。因此，也必須進(jìn)行雙門限值的確定試驗(yàn)，從而防止出現(xiàn)誤切現(xiàn)象。

4.2 防死區(qū)誤切措施

由上述分析可知，能源選擇閥10由副油路切回主油路，其主油路工作壓力會隨出口工作壓力急劇下降較多，原因是在能源選擇閥10閥芯切換至主油路過程中與閥套存在死區(qū)，從而導(dǎo)致其出口工作壓力在死區(qū)期間無流量急劇下降，因此切過死區(qū)主油路工作壓力將會隨出口壓力急劇下降，能源選擇閥10死區(qū)越小，壓力下降幅度越小，主油路向副油路切換壓降就較小，如圖6所示。因此，閥芯和閥套死區(qū)較小，顯然推理出閥芯與閥套死區(qū)越小越好，最好是零死區(qū)，但實(shí)際閥芯與閥套有一定的徑向間隙，只有保持一定的死區(qū)，即正遮蓋，才能保證能源選擇閥的泄漏流量較小，能量浪費(fèi)較小，從而實(shí)現(xiàn)故障隔離。為此，必須在控制策略上進(jìn)行優(yōu)化，以避免上述能源選擇閥誤切現(xiàn)象。

由圖7可知，當(dāng)能源選擇閥失電，由副油路切換回主油路時，主油路工作壓力隨出口工作壓力急劇下降，時間寬度大約為0.05s。根據(jù)運(yùn)行程序可知，一個指令周期耗時0.1s，大于上述工作壓力下降時間寬度，每個指令周期以第一個點(diǎn)為判讀點(diǎn)。但為進(jìn)一步提高可靠性，控制策略判讀必須要求在多個指令周期確認(rèn)壓力低于或高于壓力門限值，這樣才能防止誤切現(xiàn)象，為此制定了防止死區(qū)誤切控制策略如下：

當(dāng)主油路工作壓力低于下門限值時，如果控制程序在個連續(xù)指令周期確認(rèn)主油路工作壓力小于下門限值，則認(rèn)為主油路油源故障，同時控制程序給能源選擇閥發(fā)送得電指令，否則繼續(xù)判斷；當(dāng)主油路工作壓力高于上門限值時，如果控制程序在個連續(xù)指令周期確認(rèn)主油路工作壓力大于上門限值，則認(rèn)為主油路油源故障恢復(fù)，同時控制程序給能源選擇閥發(fā)送失電指令，否則繼續(xù)判斷。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述控制策略，設(shè)置連續(xù)5個、3個和2個周期確認(rèn)進(jìn)行試驗(yàn)，完成能源選擇閥10誤切措施試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線如圖10所示。

圖10 死區(qū)防誤切措施試驗(yàn)曲線Fig.10 Anti-miscutting measures test curves in dead zone

由圖10可知，能源選擇閥主油路工作壓力下降和上升指令確認(rèn)連續(xù)周期為0.2s(2個指令周期)進(jìn)行了2次試驗(yàn)，指令確認(rèn)連續(xù)周期為0.3s(3個指令周期)進(jìn)行了2次試驗(yàn)，指令確認(rèn)連續(xù)周期為0.5s(5個指令周期)進(jìn)行了3次試驗(yàn)，進(jìn)一步放大每個延遲確認(rèn)，分別如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 連續(xù)2周期確認(rèn)切換試驗(yàn)曲線Fig.11 Two cycles confirmation switching test curves

圖12 連續(xù)3周期確認(rèn)切換試驗(yàn)曲線Fig.12 Three cycles confirmation switching test curves

圖13 連續(xù)5周期確認(rèn)切換試驗(yàn)曲線Fig.13 Five cycles confirmation switching test curves

由圖11可知，比例減壓閥2壓力下降和上升都采取階躍信號，即故障最極端模式，在此種狀態(tài)下都不會出現(xiàn)誤切現(xiàn)象，則實(shí)際情況肯定不會出現(xiàn)死區(qū)誤切現(xiàn)象。進(jìn)一步觀察圖11可知，在比例減壓閥2降壓至16MPa以下時，能源選擇閥10得電，其出口工作壓力隨比例減壓閥3出口工作壓力而變化，并沒有出現(xiàn)誤切現(xiàn)象；在比例減壓閥2工作壓力上升至20MPa時，能源選擇閥10失電，其出口工作壓力隨比例減壓閥2出口工作壓力而變化，也沒有出現(xiàn)誤切現(xiàn)象。因此，比例減壓閥2出口工作壓力即主油路入口壓力無論是在上升或下降都沒有出現(xiàn)誤切現(xiàn)象。同理觀察圖12、圖13可以分析，在連續(xù)3個周期和連續(xù)5個周期確認(rèn)主油路工作壓力情況下，能源選擇閥10也沒有發(fā)生誤切現(xiàn)象，證明上述控制策略有效。

進(jìn)一步觀察并比較在連續(xù)2個周期主油路壓力下降確認(rèn)、連續(xù)3個周期主油路壓力下降確認(rèn)、連續(xù)5個周期主油路壓力下降確認(rèn)，分別如圖14、圖15、圖16所示。

圖14 連續(xù)2周期主油路壓力下降確認(rèn)試驗(yàn)曲線圖Fig.14 Two cycles pressure drop confirmation test curves of the first oil circuit

圖15 連續(xù)3周期主油路壓力下降確認(rèn)試驗(yàn)曲線圖Fig.15 Three cycles pressure drop confirmation test curves of the first oil circuit

圖16 連續(xù)5周期主油路壓力下降確認(rèn)試驗(yàn)曲線圖Fig.16 Five cycles pressure drop confirmation test curves of the first oil circuit

由圖14、圖15、圖16可知，隨著主油路壓力下降沿連續(xù)確認(rèn)周期的增加，在連續(xù)2個周期主油路壓力下降確認(rèn)、連續(xù)3個周期主油路壓力下降確認(rèn)和連續(xù)5個周期主油路壓力下降確認(rèn)條件下，主油路工作壓力開始下降至能源選擇閥得電保持時間分別為0.3s、0.4s和0.5s，主要原因?yàn)橹饔吐穳毫ο陆笛剡B續(xù)確認(rèn)周期逐漸增加。

同理可觀察并比較在連續(xù)2個周期主油路壓力上升確認(rèn)、連續(xù)3個周期主油路壓力上升確認(rèn)、連續(xù)5個周期主油路壓力上升確認(rèn)，分別如圖17、圖18、圖19所示。

圖17 連續(xù)2周期主油路壓力上升確認(rèn)試驗(yàn)曲線圖Fig.17 Two cycles pressure rise confirmation test curves of the first oil circuit

圖18 連續(xù)3周期主油路壓力上升確認(rèn)試驗(yàn)曲線圖Fig.18 Three cycles pressure rise confirmation test curves of the first oil circuit

圖19 連續(xù)5周期主油路壓力上升確認(rèn)試驗(yàn)曲線圖Fig.19 Five cycles pressure rise confirmation test curves of the first oil circuit

由圖17、圖18、圖19可知，隨著主油路壓力上升沿連續(xù)確認(rèn)周期的增加，在連續(xù)2個周期主油路壓力上升確認(rèn)、連續(xù)3個周期主油路壓力上升確認(rèn)和連續(xù)5個周期主油路壓力上升確認(rèn)條件下，主油路工作壓力開始上升至能源選擇閥失電保持時間分別為0.3s、0.5s和0.6s，主要原因?yàn)橹饔吐穳毫ι仙剡B續(xù)確認(rèn)周期逐漸增加。

綜上所述，隨著主油路壓力下降沿和上升沿連續(xù)確認(rèn)周期的增加，主油路工作壓力開始下降至能源選擇閥得電保持時間和主油路工作壓力開始上升至能源選擇閥失電保持時間逐漸增加，即能源選擇閥主副油路切換的時間增加，這樣對于伺服系統(tǒng)的不利因素逐漸增加。因此，希望主油路壓力下降沿和上升沿連續(xù)確認(rèn)周期越小越好，但過小的確認(rèn)周期會導(dǎo)致誤切現(xiàn)象。根據(jù)上述試驗(yàn)分析，主油路壓力下降沿和上升沿連續(xù)確認(rèn)周期為2個指令周期即0.2s比較好。

5 上下門限值確認(rèn)

5.1 門限差值過小現(xiàn)象

由上述分析可知，邏輯雙門限值控制策略中上下門限值過小也會造成能源選擇閥出現(xiàn)誤切現(xiàn)象，為此必須設(shè)置過大的上下門限值以避免上述現(xiàn)象。但下門限值過低會導(dǎo)致伺服機(jī)構(gòu)輸出負(fù)載無法正常完成運(yùn)載火箭飛行姿態(tài)的控制，上門限值過高會造成故障切換時間過長，因此需要通過試驗(yàn)確定雙門限值。試驗(yàn)過程中，上門限值分別取16MPa、18MPa、20MPa，下門限值分別取10MPa、12MPa、14MPa、16MPa。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖11試驗(yàn)曲線可知，當(dāng)比例減壓閥2出口即能源選擇閥10主油路入口工作壓力低于下門限值時，能源選擇閥10入口切換至副油路入口工作壓力即比例減壓閥5出口壓力狀態(tài)，但能源選擇閥10主油路入口工作壓力有較大的上升，而此時能源選擇閥10副油路入口壓力會有所降低，但下降較小，在其他下門限值也存在類似情況。而上門限值通過上述死區(qū)誤切措施已經(jīng)解決，因此下面將分析下門限值情況。根據(jù)上述試驗(yàn)步驟完成邏輯雙門限值控制策略上下門限值試驗(yàn)，因試驗(yàn)曲線很多，下面僅以上門限值為12MPa，下門限值為18MPa的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，試驗(yàn)曲線如圖20所示。

圖20 上門限(12MPa)下門限(18MPa)值試驗(yàn)曲線Fig.20 Two threshold valves (12MPa and 18MPa)test curves

由圖20可知，當(dāng)比例減壓閥2出口即能源選擇閥主油路入口工作壓力下降至11.5MPa時，能源選擇閥得電后，比例減壓閥2出口即能源選擇閥主油路入口工作壓力上升至15.7MPa，因此比例減壓閥2出口即能源選擇閥主油路入口工作壓力自動上升了4.2MPa。同理可得其他各種上下門限值條件下，比例減壓閥2出口即能源選擇閥主油路入口工作壓力在能源選擇閥10得電后自動上升的壓力，如表1所示。

表1 主油路入口工作壓力自動上升值表Tab.1 Automatic pressure rise table at the first oil inlet

由表1可知，當(dāng)下門限值相同，隨著上門限值的提高，能源選擇閥在油路切換后自動上升壓力值越來越小。理論上分析，能源選擇閥在油路切換后主油路入口自動上升壓力值越小越好，因此下門限值應(yīng)越高越好，但因系統(tǒng)工作壓力有時會出現(xiàn)波動，過高的下門限值會高于伺服系統(tǒng)波動的下限值，從而造成誤切，影響系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定性；上門限值過高也不太好，統(tǒng)計(jì)表1所有上升壓力數(shù)據(jù)可知都不會超過6MPa。因此，綜合考慮各方面因素，下門限值定為12MPa，上門限值定為18MPa，能源選擇閥在油路切換后主油路入口自動上升壓力值為4.2MPa，小于6MPa，因此不會出現(xiàn)誤切現(xiàn)象。

6 切換壽命試驗(yàn)

能源選擇閥切換壽命試驗(yàn)的目的是測試能源選擇閥在規(guī)定切換次數(shù)條件下的可靠性?？刂撇呗栽O(shè)計(jì)下門限值為12MPa，上門限值為18MPa，壓力信號控制上限設(shè)置為22MPa，下限設(shè)置為10MPa，周期為5s，占空比為0.5，完成自動切換900次自動停止試驗(yàn)。

根據(jù)上述試驗(yàn)設(shè)置，完成能源選擇閥10的切換壽命試驗(yàn)，因切換次數(shù)較多，時間較長，僅顯示部分切換圖形如圖21所示。

圖21 能源冗余切換壽命局部試驗(yàn)曲線Fig.21 Local test curves of energy redundant switching life

由圖21可知，當(dāng)比例減壓閥2出口即能源選擇閥主油路入口工作壓力下降為10MPa時(下門限值為12MPa)，能源選擇閥得電，并切換至能源選擇閥副油路即比例減壓閥3出口工作壓力狀態(tài)；當(dāng)比例減壓閥2出口即能源選擇閥主油路入口工作壓力上升為22MPa時(上門限值為18MPa)，能源選擇閥失電，并切換至能源選擇閥主油路即比例減壓閥2出口工作壓力狀態(tài)，周而復(fù)始。根據(jù)仔細(xì)觀察能源選擇閥900次壽命切換試驗(yàn)曲線，沒有發(fā)現(xiàn)一次誤切現(xiàn)象，同時能源選擇閥所有性能都工作正常，因此上述能源選擇閥的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)調(diào)試以及控制策略的優(yōu)化都是正確的，并得到了試驗(yàn)的驗(yàn)證。

7 結(jié) 論

本文提出了一種新型能源雙冗余結(jié)構(gòu)和相應(yīng)邏輯雙門限控制策略，并完成了系統(tǒng)功能驗(yàn)證、防死區(qū)誤切驗(yàn)證、雙門限值的確定和壽命試驗(yàn)驗(yàn)證，完整地驗(yàn)證了雙冗余結(jié)構(gòu)和邏輯雙門限控制策略的有效性和可靠性。具體總結(jié)如下：

1)控制策略試驗(yàn)驗(yàn)證了能源選擇閥在邏輯雙門限控制策略規(guī)定的門限值條件下能夠順利進(jìn)行切換，初步驗(yàn)證了能源選擇閥功能和邏輯雙門限控制策略的有效性；

2)根據(jù)邏輯雙門限控制策略出現(xiàn)的死區(qū)誤切現(xiàn)象提出了相應(yīng)的解決措施，即通過在連續(xù)2個指令周期確認(rèn)上門限值和下門限值后才能確認(rèn)壓力值的有效性，從而判斷主副油路故障，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了上述措施的正確性；

3)根據(jù)邏輯雙門限控制策略上下門限值過小導(dǎo)致誤切現(xiàn)象提出了相應(yīng)的解決措施，即通過優(yōu)選可能出現(xiàn)的上下門限值進(jìn)行試驗(yàn)，以最大上升壓力范圍為標(biāo)準(zhǔn)，合理的上下門限值為12MPa和18MPa，防止了誤切現(xiàn)象;

4)切換壽命試驗(yàn)驗(yàn)證了在上述邏輯雙門限控制策略下能源選擇閥主副油路切換的可靠性，進(jìn)行了900次切換試驗(yàn)，無一次誤切現(xiàn)象，有效驗(yàn)證了能源選擇閥和邏輯雙門限控制策略的有效性和可靠性。