高品質(zhì)航天伺服產(chǎn)品及其實現(xiàn)途徑探索

黃玉平，崔佩娟，安林雪，楊 磊，傅 捷

（1. 北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京，100076；2. 航天伺服驅(qū)動與傳動技術(shù)實驗室，北京，100076）

0 引 言

中國航天伺服技術(shù)經(jīng)過六十余年的發(fā)展，從面向航天領(lǐng)域逐步拓展到航空、航海、新能源、醫(yī)療康復(fù)等多個領(lǐng)域。面對未來的機遇和挑戰(zhàn)，總結(jié)過往經(jīng)驗，本文提出了航天伺服產(chǎn)品發(fā)展的3個階段，并對實現(xiàn)第3階段目標給出了探索途徑，為伺服技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提供參考。

1 航天伺服技術(shù)發(fā)展歷程

伺服機構(gòu)是輸出量為機械位移或其導(dǎo)數(shù)（速度、加速度或力）且以放大的功率復(fù)現(xiàn)輸入量運動的一類反饋控制裝置。

在航天領(lǐng)域，伺服機構(gòu)與其驅(qū)動、控制的航天器操縱力矩產(chǎn)生裝置（如可擺動的火箭發(fā)動機或發(fā)動機噴管等）一起構(gòu)成飛行器姿態(tài)控制、軌跡控制、射程控制或機動飛行的執(zhí)行機構(gòu)。伺服機構(gòu)按彈（箭）上控制裝置發(fā)來的低功率指令，大幅度提高功率水平，精確定位操縱裝置，產(chǎn)生作用于飛行器的俯仰、偏航、滾動操縱力矩，實現(xiàn)消除飛行器姿態(tài)偏差的運動。伺服機構(gòu)驅(qū)動操縱裝置實現(xiàn)飛行器飛行姿態(tài)控制有推力矢量控制、空氣動力控制、直接力控制3種形式。

航天伺服技術(shù)是典型的戰(zhàn)略新技術(shù)，不同的體制機制下有不同的發(fā)展路徑。西方國家的航天伺服技術(shù)有明顯的集約性，協(xié)作面廣，協(xié)作配套性強，飛行控制執(zhí)行技術(shù)（包括推力矢量控制、空氣動力控制）、伺服作動技術(shù)、伺服能源技術(shù)、伺服測量控制技術(shù)等一般均由不同的公司獨立承制，由負責飛行控制執(zhí)行系統(tǒng)技術(shù)的公司抓總。中國航天伺服技術(shù)的發(fā)展路徑是集中優(yōu)勢發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)，形成了飛行控制執(zhí)行系統(tǒng)技術(shù)、伺服作動技術(shù)、伺服能源技術(shù)、伺服測量控制技術(shù)主要由同一單位承擔、完成的模式。

以北京精密機電控制設(shè)備研究所為主的中國伺服技術(shù)研發(fā)機構(gòu)，堅持以飛行控制執(zhí)行技術(shù)研究和伺服新產(chǎn)品研發(fā)、伺服系統(tǒng)研制生產(chǎn)為主業(yè)，在電動液壓舵機技術(shù)、搖擺發(fā)動機推力矢量控制電液伺服技術(shù)、機械反饋電液伺服機構(gòu)技術(shù)、引流發(fā)動機燃料電液伺服技術(shù)、渦輪泵式燃氣電液伺服技術(shù)、三余度電液伺服技術(shù)、數(shù)字式電液伺服技術(shù)、飛行器空氣動力控制伺服技術(shù)、中大功率機電伺服系統(tǒng)技術(shù)中取得了較大突破，如圖1所示，形成了包括飛行控制執(zhí)行技術(shù)、智能機器技術(shù)、大功率電驅(qū)動技術(shù)、特種電源技術(shù)、先進制造技術(shù)的5大優(yōu)勢領(lǐng)域，建立了較為完整的、適應(yīng)中國國情的航天飛行控制執(zhí)行專業(yè)技術(shù)體系和協(xié)作配套體系，伺服產(chǎn)品功能指標總體處于世界先進水平，支撐了中國主要航天工程建設(shè)，并拓展應(yīng)用于艦船、飛機、機器人、新能源、環(huán)保、醫(yī)療康復(fù)器械等領(lǐng)域，形成了良好的發(fā)展局面。

圖1 伺服專業(yè)技術(shù)九大臺階 Fig1 Nine Steps of Servo Technology

2 高品質(zhì)航天伺服產(chǎn)品的內(nèi)涵與發(fā)展特質(zhì)

結(jié)合中國航天伺服技術(shù)的發(fā)展特質(zhì)，可將航天伺服產(chǎn)品的發(fā)展分為3個階段，如圖2所示。

圖2 中國航天伺服產(chǎn)品階段發(fā)展構(gòu)想 Fig.2 Aerospace Servo Product Stage Development Concept of China

高品質(zhì)航天伺服產(chǎn)品的3個核心要素具體為：a）穩(wěn)定性，有兩個維度，時間維度，即在全生命周期內(nèi)，產(chǎn)品隨環(huán)境、工況等發(fā)生或正向、或負向的特性改變的程度，偏離預(yù)期的程度越小（不論正向、負向），產(chǎn)品品質(zhì)越高；設(shè)計維度，即存在未設(shè)計到的特性、設(shè)計不合理、設(shè)計到但制造達不到等原因而引起的性能變化，變化越小，品質(zhì)越高。b）一致性，是從產(chǎn)品維度來說的，即設(shè)計、工藝相同的產(chǎn)品性能指標的偏差大小和分布，將偏差控制在可接受的高水平，使設(shè)計與生產(chǎn)的性能趨向目標值，而不是趨向公差界限值。c）可靠性，反映產(chǎn)品的使用特性，與穩(wěn)定性與一致性息息相關(guān)，依托涵蓋理論、技術(shù)、工藝、制造、標準規(guī)范、測試方法、評估等全要素的先進設(shè)計研制體系的構(gòu)建、發(fā)展與積淀。

目前，中國航天伺服產(chǎn)品已基本實現(xiàn)了第1階段，正在向第2、第3個發(fā)展階段邁進。

3 航天伺服產(chǎn)品高品質(zhì)實現(xiàn)的途徑初探

航天伺服技術(shù)是動力技術(shù)、傳動技術(shù)、控制技術(shù)、測量技術(shù)和信息處理技術(shù)的緊密綜合，航天伺服產(chǎn)品是將火工、流體、機械、電力、電磁、電子、材料、制造技術(shù)高度一體化的高技術(shù)產(chǎn)品。要實現(xiàn)以“穩(wěn)定性、一致性、可靠性”為表征的高品質(zhì)，可從加強基礎(chǔ)研究，向數(shù)字化研發(fā)體系轉(zhuǎn)型，開發(fā)飛行控制執(zhí)行新原理、新技術(shù)等3個方面進行嘗試。

3.1 加強基礎(chǔ)研究是發(fā)展高品質(zhì)航天伺服產(chǎn)品的關(guān)鍵

伺服產(chǎn)品在向高品質(zhì)看齊的過程中，不再只關(guān)注功能指標的提升，更關(guān)注伺服產(chǎn)品內(nèi)部各結(jié)構(gòu)在外載荷影響下如何發(fā)生相互作用、在微觀層面發(fā)生哪些變化、如何導(dǎo)致宏觀層面能量的聚集與耗散，以及如何影響伺服系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定性、一致性。一方面，需要深入機理研究，強化理論表達；另一方面，緊抓影響性能提升的核心問題，拓寬放遠視野，加強關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

3.1.1 高品質(zhì)伺服產(chǎn)品的生成必須建立在對其內(nèi)部運行機理深入與精準認識的基礎(chǔ)之上

伺服產(chǎn)品作為一類復(fù)雜機電裝備，一方面，受到熱、磁、振動等外在環(huán)境因素的影響，內(nèi)部還存在力、熱、電、磁等多場大量非線性、不確定性因素，強弱因素交織耦合，另一方面，產(chǎn)品自身在特定環(huán)境、工況等條件下隨時間必然會發(fā)生物理或化學特性的改變，并由此帶來外輸出特性的變化。

以伺服產(chǎn)品用螺旋傳動機構(gòu)在長貯后性能演化機理問題為例，會涉及介質(zhì)、界面、機構(gòu)等不同層面的基礎(chǔ)科學問題，如長貯伺服傳動機構(gòu)潤滑性能退化表征問題、脂潤滑滾動螺旋傳動界面摩擦與運動特性問題、狀態(tài)評估與監(jiān)測問題等，再進一步地挖掘上述基礎(chǔ)問題，以脂潤滑滾動螺旋傳動界面摩擦與運動特性問題為例，可進一步分解出多個基礎(chǔ)問題及相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，包括啟停重載摩擦學問題、閃溫與穩(wěn)態(tài)熱問題、系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)問題等，與之對應(yīng)的需要攻關(guān)突破脂潤滑界面瞬態(tài)混合潤滑分析方法、界面閃溫及熱平衡分析方法、跨尺度激勵下系統(tǒng)動力學分析等關(guān)鍵技術(shù)。上述的問題及與之相關(guān)的機理探究，都需要充分保障好資源、集智攻關(guān)，扎實開展基礎(chǔ)研究工作。

3.1.2 緊跟技術(shù)發(fā)展突出問題導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究是航天伺服技術(shù)突破的重要途徑

瞄準長期制約發(fā)展的基礎(chǔ)性問題，需要拓寬放遠視野，突出問題導(dǎo)向，加強關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。

如伴隨微納技術(shù)的快速發(fā)展，針對航天伺服產(chǎn)品的滾動螺旋傳動機構(gòu)實時狀態(tài)監(jiān)測問題，結(jié)合高性能異質(zhì)異構(gòu)溫度、振動、超聲3類核心微納傳感器，通過構(gòu)建多參量分布式微納傳感監(jiān)測系統(tǒng)，形成新型滾動螺旋傳動機構(gòu)工作狀態(tài)無線監(jiān)測新方法，實現(xiàn)微納傳感節(jié)點的無線數(shù)據(jù)傳輸與遠程監(jiān)測，可為伺服傳動機構(gòu)性能評估與提升提供理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)支撐；如為了發(fā)展高功率密度容錯伺服電機及驅(qū)動系統(tǒng)，伺服電機及驅(qū)動系統(tǒng)需要承受頻繁的瞬變大電流沖擊，這將有可能引發(fā)電機及驅(qū)動系統(tǒng)故障，從而使伺服系統(tǒng)功能喪失，嚴重影響系統(tǒng)及任務(wù)可靠性，針對該問題可以在現(xiàn)有斷相容錯控制技術(shù)基礎(chǔ)上，進一步結(jié)合永磁同步電機磁系統(tǒng)退化對電機性能的影響機理、永磁容錯伺服電機系統(tǒng)斷路故障檢測方法、永磁電機伺服系統(tǒng)容錯拓撲的優(yōu)化設(shè)計、永磁電機伺服系統(tǒng)的高精度建模等基礎(chǔ)研究工作，探究適應(yīng)于伺服工況下的電機驅(qū)動系統(tǒng)故障診斷方法實現(xiàn)對故障的準確快速的診斷，并結(jié)合現(xiàn)有容錯伺服電機系統(tǒng)方案，進一步優(yōu)化和改進控制算法，有效支撐航天伺服系統(tǒng)的高可靠要求。

3.2 數(shù)字化研發(fā)體系轉(zhuǎn)型是發(fā)展高品質(zhì)航天伺服產(chǎn)品的基石

傳統(tǒng)的以追求“功能/性能指標達成性”為目的的設(shè)計模式已無法滿足技術(shù)發(fā)展的要求。因此必須實施數(shù)字化研發(fā)體系轉(zhuǎn)型，以模型為核心，在數(shù)字域充分探究伺服產(chǎn)品底層運行機制，全面考察內(nèi)、外因素耦合影響規(guī)律，同時，在設(shè)計之初即同步開展多學科仿真與虛擬試驗，加快設(shè)計-驗證-優(yōu)化迭代周期，在保證高效率的同時追求高品質(zhì)。向以“模型”為核心的數(shù)字化研發(fā)體系轉(zhuǎn)變，就是要對設(shè)計、試驗、生產(chǎn)制造各階段進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，在伺服大系統(tǒng)設(shè)計、多學科聯(lián)合仿真與設(shè)計優(yōu)化、優(yōu)質(zhì)制造等方面發(fā)力，通過模型表達設(shè)計理念、展示系統(tǒng)架構(gòu)、傳遞設(shè)計參數(shù)。

3.2.1 伺服大系統(tǒng)設(shè)計

伺服大系統(tǒng)是指將輸入指令、工作環(huán)境、負載對象全部納入伺服系統(tǒng)設(shè)計范圍。如此，原本作為伺服系統(tǒng)外部特性的隨機輸入量，就可轉(zhuǎn)化為飛行器大系統(tǒng)可優(yōu)化的一個內(nèi)部狀態(tài)變量。當飛行器大系統(tǒng)進行方案設(shè)計優(yōu)化時，將伺服大系統(tǒng)也作為其中的設(shè)計優(yōu)化環(huán)節(jié)，從而進一步提升伺服系統(tǒng)乃至整個飛行器的性能。文獻[1]是美國空軍火箭推進實驗室在1972年發(fā)布的先進推力矢量控制初步設(shè)計計算機程序。該程序?qū)崿F(xiàn)了從飛行軌跡設(shè)計與評估、推力與控制力計算、控制執(zhí)行系統(tǒng)方案設(shè)計到最終飛行器大系統(tǒng)性能預(yù)測的自動化設(shè)計流程。其中，控制執(zhí)行方案設(shè)計的對象包括幾乎所有執(zhí)行機構(gòu)：液體噴射推力矢量控制（Liquid Injection Thrust Vector Control，LITVC）、熱氣推力矢量控制（Hot Gas Thrust Vector Control，HGTVC）、常平座、球窩噴管、柔性接頭、噴氣檔板、空氣動力面等。

從公開報道來看，美國飛行器性能很好，但對伺服的要求卻不算高，間接證明該程序在優(yōu)化設(shè)計方面發(fā)揮了作用。因此，在設(shè)計階段進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型時，以伺服大系統(tǒng)為研究對象開展需求分析和方案設(shè)計，構(gòu)建參數(shù)化模型，參與飛行器大系統(tǒng)方案設(shè)計優(yōu)化迭代，實現(xiàn)對伺服系統(tǒng)功能、性能、品質(zhì)的進一步提升。

3.2.2 多學科聯(lián)合仿真與設(shè)計優(yōu)化

由前述可知，伺服系統(tǒng)是一個涉及電、磁、力、熱、液、控等多個學科領(lǐng)域的復(fù)雜強耦合系統(tǒng)，高性能伺服回路的設(shè)計是一個極為復(fù)雜的問題。以機電伺服控制回路設(shè)計為例，當前的典型設(shè)計流程見圖3。

在圖3第3步時，一般總能尋找到合適的控制算法和參數(shù)，使系統(tǒng)滿足任務(wù)指標，完成一輪方案設(shè)計。但通常情況下，這并非最優(yōu)設(shè)計。要使方案在伺服系統(tǒng)設(shè)計邊界內(nèi)最優(yōu)，多數(shù)情況下需對控制回路內(nèi)的硬件（即控制對象）進行優(yōu)化。錢學森曾對伺服回路硬件優(yōu)化設(shè)計問題提出過著名論斷：“在伺服機構(gòu)的工程實踐中，如何通過修改系統(tǒng)的物理元素來實現(xiàn)傳遞函數(shù)中的這些預(yù)期變化，還只是一門藝術(shù)”[2]。但隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)、計算技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，以及對伺服系統(tǒng)內(nèi)物理元件的機理、性能、相互作用的理解不斷深入，將“藝術(shù)”變?yōu)椤翱茖W”成為可能。

圖3 當前伺服控制回路設(shè)計典型流程 Fig3 Typical Flow of Servo Control Loop Design

2017年北京精密機電控制設(shè)備研究所、哈爾濱工業(yè)大學、北京理工大學在國防基礎(chǔ)科研項目支持下，開展了新型伺服系統(tǒng)多學科聯(lián)合仿真與設(shè)計優(yōu)化技術(shù)研究，突破了伺服系統(tǒng)多學科融合建模技術(shù)、伺服系統(tǒng)自適應(yīng)近似優(yōu)化[3]等主要關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了伺服系統(tǒng)多學科聯(lián)合仿真與設(shè)計優(yōu)化演示平臺[4]，設(shè)計優(yōu)化原理見圖4，實現(xiàn)了控制、電力電子、電磁、動力學4個學科的協(xié)同仿真，可以大幅度縮短產(chǎn)品設(shè)計周期。

圖4 伺服系統(tǒng)多學科聯(lián)合仿真與設(shè)計優(yōu)化原理 Fig.4 Schematic of Multidisciplinary Integration Simulation and Design Optimization of Servo System

雖然此項研究為伺服系統(tǒng)設(shè)計效率的提升奠定了基礎(chǔ)，但對于多目標、多約束設(shè)計問題，多數(shù)情況下仍然不能以解析方式得出系統(tǒng)最優(yōu)解。主要原因在于，構(gòu)建的多學科聯(lián)合仿真模型仍然不夠細致，現(xiàn)有模型參數(shù)不足以完整描述系統(tǒng)性能。

因此，在對設(shè)計方案進行迭代優(yōu)化與驗證的數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，要注重對伺服系統(tǒng)底層運行機制的深入挖掘，構(gòu)建基于設(shè)計參數(shù)的多學科多物理跨尺度耦合模型，同時充分利用智能算法、高性能計算技術(shù)，積極探索復(fù)雜系統(tǒng)多物理模型統(tǒng)一解算方法和多目標優(yōu)化算法，實現(xiàn)將“藝術(shù)”變?yōu)椤翱茖W”。

3.2.3 優(yōu)質(zhì)制造

伺服產(chǎn)品高品質(zhì)的實現(xiàn)，與制造過程的質(zhì)量控制緊密相連?！吨袊圃?025》[5]指出，將質(zhì)量作為建設(shè)制造強國的生命線，林忠欽院士提出了“優(yōu)質(zhì)制造”的概念并對其內(nèi)涵、特征進行了定義，突出強調(diào)了需要面向產(chǎn)品全生命周期，綜合應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能技術(shù)、工藝優(yōu)化技術(shù)等共性關(guān)鍵技術(shù)[6]。

在此大背景下，航天伺服產(chǎn)品在制造方面，針對當前存在的設(shè)計制造串行、系統(tǒng)設(shè)備孤立、生產(chǎn)制造模式落后、數(shù)據(jù)不能互通共享等現(xiàn)狀，探索以數(shù)字科技支撐航天智能研制的新模式，以研制+生產(chǎn)大數(shù)據(jù)聚集為核心、全過程數(shù)據(jù)驅(qū)動為手段，打通運行管理、設(shè)計、生產(chǎn)、驗證各環(huán)節(jié)，以期基于數(shù)據(jù)智能分析達到設(shè)計、生產(chǎn)、驗證各環(huán)節(jié)過程迭代優(yōu)化，打造智能研究所智慧化管理新范式。同時，需要研究設(shè)計生產(chǎn)制造一體化實現(xiàn)過程中存在的問題，搭建專家知識庫和經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，挖掘具有指導(dǎo)意義的理論、方法及流程，形成基于設(shè)備的工藝參數(shù)優(yōu)化方法，并使知識庫具備參數(shù)化和智能化的功能，在設(shè)計制造與驗證中實現(xiàn)人機融合，對積累的文檔進行評估，歸納總結(jié)在實操過程中的有效方法，使之能夠形成數(shù)據(jù)庫與人工智能相結(jié)合。智慧+研究所層級架構(gòu)如圖5所示。

圖5 智慧+研究所層級框架 Fig.5 Framework Diagram of Intelligence Plus Institute

3.3 探索飛行控制執(zhí)行新原理是實現(xiàn)航天伺服產(chǎn)品超越發(fā)展的有效途徑

對標航天強國要求，中國規(guī)劃了一系列重大航天工程：重型運載火箭、天地往返運輸系統(tǒng)、在軌服務(wù)、深空探測等。飛行器技術(shù)的跨越式發(fā)展對伺服產(chǎn)品創(chuàng)新形成強勢牽引，對伺服技術(shù)的性能指標、環(huán)境適應(yīng)性、可重復(fù)使用性、智能化程度等提出了極高要求，例如未來先進飛行器的飛控執(zhí)行將由目前單一的空氣動力控制或推力矢量控制向結(jié)合變形機構(gòu)、直接力控制等的多元復(fù)合控制發(fā)展，其中變形執(zhí)行機構(gòu)技術(shù)涉及多專業(yè)的深度融合，基于當前原理的主流技術(shù)方案已難以實現(xiàn)指標要求，

立足航天伺服核心專業(yè)和飛控執(zhí)行發(fā)展趨勢，圍繞航天跨代式裝備對伺服機構(gòu)提出的動態(tài)響應(yīng)、比功率、精度、噪音等高功能指標需求以及寬域瞬變環(huán)境下的低沖擊應(yīng)力等高性能指標需求，探索航天伺服新概念和新技術(shù)，從技術(shù)原理創(chuàng)新、顛覆應(yīng)用創(chuàng)新等維度，探索與現(xiàn)有伺服機構(gòu)具有本質(zhì)特征不同的新型伺服機構(gòu)機理與方法，開展架構(gòu)、原理、算法、材料、器件、工藝等方面的技術(shù)研究，自主創(chuàng)新，在動靜態(tài)精度、輕質(zhì)化等功能指標、使用性、環(huán)境適應(yīng)性等性能指標方面取得質(zhì)的突破，并增強對于輸入、負載以及環(huán)境的不確定性的處理能力。

4 結(jié)束語

本文對航天伺服技術(shù)的發(fā)展及其高品質(zhì)實現(xiàn)途徑進行了綜述。重型運載火箭、天地往返運輸系統(tǒng)、在軌服務(wù)、深空探測等一系列重大航天工程的建設(shè)對伺服產(chǎn)品創(chuàng)新形成強勢牽引。未來飛行器將更加多功能化，必然對伺服技術(shù)的性能指標、環(huán)境適應(yīng)性、可重復(fù)使用性、智能化程度等提出更高的要求，也為伺服技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展提供了機遇和挑戰(zhàn)。