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高溫域熱加載試驗(yàn)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)探索

2017-04-10 00:21魯亮
現(xiàn)代電子技術(shù) 2017年6期
關(guān)鍵詞:閉環(huán)控制

摘 要: 以某次高超聲飛行器環(huán)境試驗(yàn)為背景,為了解決高溫?離心復(fù)合試驗(yàn)中溫度過沖,試驗(yàn)被迫中斷的問題,在分析熱加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,從軟件、硬件兩方面著手,提出兩種異常情況設(shè)計(jì)優(yōu)化方案,并對(duì)兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了試驗(yàn)考核。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行討論,總結(jié)其各自適用范圍。結(jié)果表明,在試驗(yàn)設(shè)備出現(xiàn)短期的異常情況或試驗(yàn)條件容許溫控指標(biāo)適當(dāng)放寬的情況下可以采用軟容錯(cuò)設(shè)計(jì)方案;在系統(tǒng)控制要求較嚴(yán)格的場合,可以選擇硬容錯(cuò)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞: 容錯(cuò)技術(shù); 熱加載試驗(yàn)系統(tǒng); 閉環(huán)控制; 高溫域

中圖分類號(hào): TN911?34; TN92?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1004?373X(2017)06?0126?03

Abstract: Taking the environmental test of a certain high supersonic aircraft as the background and based on analysis of the structural features of the heat loading system, two design optimization schemes involving software and hardware for the abnormal condition are proposed to solve the test interruption problem caused by the temperature overshoot in the high?temperature and centrifuge composite test. The test assessment was carried out for the two design schemes. According to the test results, the two design schemes are discussed, and their application ranges are summarized. The results show that the software fault?tolerant design scheme can be adopted when the short?term abnormal condition of the test equipment appears, or the temperature control index of the test condition can be appropriately relaxed; the hardware fault?tolerant design scheme can be adopted in the occasion that the control requirement of the system is strict.

Keywords: fault?tolerant technology; heat loading test system; closed?loop control; high?temperature domain

0 引 言

高超聲速飛行器由于其快速、機(jī)動(dòng)性能,已成為世界各軍事大國爭相研究的重點(diǎn)。與常規(guī)武器相比,高超聲速飛行具有溫度變化快、溫度高、升溫過程中振動(dòng)、離心等載荷復(fù)合等特點(diǎn)[1?3]。為了準(zhǔn)確模擬高超聲速飛行器飛行過程中的溫度載荷,我國相關(guān)研究機(jī)構(gòu)開展了研究工作,溫度加載技術(shù)方面,中國工程物理研究院魯亮等針對(duì)溫度經(jīng)TPS(Thermal Protection System)后產(chǎn)品響應(yīng)為控制對(duì)象,建立了一套快溫變熱加載試驗(yàn)系統(tǒng),利用DDE等技術(shù)解決了溫度控制參數(shù)自適應(yīng)問題[4],北京航空航天大學(xué)吳大方利用輻射熱技術(shù)建立了一套溫度加載試驗(yàn)系統(tǒng),研究了輻射燈方式下瞬態(tài)高溫超過1 000 ℃(150 ℃/s)的溫度試驗(yàn)方法[5?6]。中國工程物理研究院李春枝等開展了狹小空間下振動(dòng)、加速度測量技術(shù)研究工作[7]。但針對(duì)溫度的測量,通常仍采用熱電偶技術(shù)進(jìn)行。在某高溫?離心復(fù)合試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),高溫環(huán)境下疊加力學(xué)載荷,對(duì)傳感器的固定帶來較大影響。固定溫度傳感器的高溫膠帶在高溫及離心載荷影響下粘貼性能出現(xiàn)了退化,如圖1所示,造成試驗(yàn)過程中出現(xiàn)溫度傳感器脫落的現(xiàn)象,導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集值過低,加熱輸出滿載,溫度迅速過沖,試驗(yàn)被迫中斷的情況。為了解決這一問題,一方面需開展高溫環(huán)境下傳感器固化技術(shù)研究,提高了數(shù)據(jù)采集通道工作可靠性。更重要的是,需要建立具有容錯(cuò)工作模式熱加載試驗(yàn)平臺(tái),以保證試驗(yàn)任務(wù)的圓滿完成。本文以高溫?離心復(fù)合試驗(yàn)為背景,開發(fā)了一套具有容錯(cuò)工作模式的熱加載試驗(yàn)平臺(tái),并為數(shù)據(jù)采集、加熱輸出等功能模塊設(shè)計(jì)了冗余硬件,以提高試驗(yàn)可靠性。

1 溫度試驗(yàn)加載系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)如圖2所示,溫控儀表選用島電科技FP23型智能溫控儀。FP23實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)件溫度數(shù)據(jù),并與提前設(shè)定好的目標(biāo)溫度進(jìn)行比對(duì),根據(jù)溫度偏差等結(jié)合PID參數(shù)值計(jì)算功率輸出,調(diào)節(jié)給輸出調(diào)壓器,完成熱加載功率的壓力調(diào)節(jié);同時(shí),利用RS 485將溫度、偏差等參數(shù)傳給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)情況進(jìn)行參數(shù)、運(yùn)行控制等指令的調(diào)節(jié)。

2 溫度試驗(yàn)加載系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)

武器產(chǎn)品在高溫試驗(yàn)時(shí),因其可能帶有炸藥等部件,對(duì)環(huán)境試驗(yàn)熱加載的準(zhǔn)確度、可靠性有非常高的要求。這時(shí),一方面就要求環(huán)境試驗(yàn)條件加載設(shè)備部件具有較好的工作可靠性,另一方面要求其具有好的容錯(cuò)性能[8]。

容錯(cuò)主要指在溫度試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),及時(shí)對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行診斷、屏蔽。對(duì)試驗(yàn)設(shè)備出現(xiàn)的可恢復(fù)的瞬時(shí)錯(cuò)誤,可通過設(shè)備重啟或設(shè)置故障點(diǎn),從故障點(diǎn)處重新執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的現(xiàn)場恢復(fù)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)不可恢復(fù)故障或加熱升溫過程中故障時(shí),在試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)加入冗余硬件資源,可以保障試驗(yàn)順利開展。根據(jù)可靠性理論[9],單路溫度采集通道的運(yùn)行故障率為0.1%,則雙路運(yùn)行故障率僅為0.000 1%,提高了試驗(yàn)的可靠性及安全性。

本文利用軟件及硬件提出了兩種容錯(cuò)方案,并進(jìn)行了試驗(yàn)比對(duì),最終根據(jù)可靠性選擇了方案2。

2.1 軟件容錯(cuò)設(shè)計(jì)

對(duì)原熱加載系統(tǒng)控制閉環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整[10],加熱功率輸出百分比不再由下位機(jī)直接控制,而是由監(jiān)控層軟件進(jìn)行寫入。首先,監(jiān)控系統(tǒng)將備份溫控儀表的功率控制信號(hào)進(jìn)行提取、篩選。然后,將得到的功率控制信號(hào)分配給原有輸出通道寄存器。最后,強(qiáng)制輸出給原有溫控功率儀表,控制原路輸出通道按照備份點(diǎn)輸出通道的功率控制信號(hào)輸出,原理圖如圖3所示。

2.2 硬件容錯(cuò)設(shè)計(jì)

對(duì)熱加載系統(tǒng)控制閉環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)重構(gòu),為系統(tǒng)增加了一個(gè)2選1的輸出選擇器,輸出功率信號(hào)不直接傳給輸出通道SSR,而是將功率信息傳遞給2選1邏輯選擇器,邏輯選擇器根據(jù)監(jiān)控層軟件選擇常用通道或備份通道功率控制信息,如圖4所示。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了保證試驗(yàn)可靠性,本文進(jìn)行了兩種容錯(cuò)工作模式下室溫到400 ℃的熱加載容錯(cuò)試驗(yàn)驗(yàn)證,見圖5、圖6。

第一種容錯(cuò)模式下,系統(tǒng)進(jìn)入容錯(cuò)模式后即出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象,7 min后溫差超過2 ℃,23 min后溫差超過5 ℃。說明這種容錯(cuò)模式下無法消除異常情況對(duì)系統(tǒng)加熱帶來的影響,但是系統(tǒng)可以進(jìn)行短時(shí)間內(nèi)的正常工作。

第二種容錯(cuò)模式下,加熱過程中進(jìn)行了兩次輸出通道切換,在兩次通道切換過程中對(duì)備份通道進(jìn)行了溫度干預(yù),發(fā)現(xiàn)并未影響主通道溫度控制結(jié)果,且通道切換正常;在最后一次通道切換后對(duì)主通道進(jìn)行了溫度干預(yù),備用通道溫度也跟隨變化,說明溫度通道切換正常,且控制決策正確。

4 結(jié)果分析及評(píng)價(jià)

高溫情況下對(duì)傳感器、粘結(jié)劑的性能帶來了嚴(yán)峻考驗(yàn),加上力學(xué)擾動(dòng)因素,容易造成測點(diǎn)、控制點(diǎn)脫落等現(xiàn)象。本文設(shè)計(jì)容錯(cuò)試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果表明,兩種容錯(cuò)方式在一定時(shí)間范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)功能,但是兩種方式效果不同,下面具體分析:

(1) 加熱輸出百分比強(qiáng)制下置容錯(cuò)。這個(gè)過程改變了原先控制器的閉環(huán)結(jié)構(gòu),增加了上位機(jī)功率傳輸過程。這一功能主要靠監(jiān)控層級(jí)實(shí)現(xiàn)。由于溫控儀表控制信號(hào)至上位機(jī)監(jiān)控層的數(shù)據(jù)傳輸過程,傳輸?shù)乃俾试娇?,控制越精確,但同時(shí)會(huì)給儀表通信增加負(fù)擔(dān)。若數(shù)據(jù)傳輸速率過慢,則控制滯后這一因素?zé)o法消除,會(huì)引起系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。因此,在試驗(yàn)設(shè)備出現(xiàn)短期的異常情況,或出現(xiàn)異常情況時(shí)試驗(yàn)條件容許溫控指標(biāo)適當(dāng)放寬的情況下,可以選用該方式。這種容錯(cuò)方式優(yōu)點(diǎn)是不需停止試驗(yàn)過程,僅可以為試驗(yàn)有限度的繼續(xù)進(jìn)行提供支持。

(2) 硬件容錯(cuò)。這一過程,相當(dāng)于傳統(tǒng)控制閉環(huán)的重構(gòu),并不改變原有的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),因此,不會(huì)引入時(shí)滯誤差,因此這種容錯(cuò)方式在設(shè)備工作出現(xiàn)異常情況時(shí)可以有效可靠地繼續(xù)工作。但增加了控制選擇器等邏輯器件,硬件成本增加、且對(duì)輸出通道資源會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)。這種方式適用于系統(tǒng)控制要求嚴(yán)格的場合。

5 結(jié) 論

為了解決高溫?離心復(fù)合試驗(yàn)中因出現(xiàn)溫度傳感器脫落的現(xiàn)象,數(shù)據(jù)采集值過低,加熱輸出滿載,導(dǎo)致溫度迅速過沖,試驗(yàn)被迫中斷的問題,從軟、硬件角度出發(fā),提出了兩種高溫域熱加載試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,并進(jìn)行了試驗(yàn)考核。結(jié)果表明,在試驗(yàn)設(shè)備出現(xiàn)短期的異常情況,或出現(xiàn)異常情況時(shí)試驗(yàn)條件容許溫控指標(biāo)適當(dāng)放寬的情況下可以采用軟容錯(cuò)設(shè)計(jì)方案,在系統(tǒng)控制要求較嚴(yán)格的場合,可以選擇硬容錯(cuò)設(shè)計(jì)方案。兩種方案在不同場合下能較好解決高溫?離心復(fù)合試驗(yàn)中的溫度過沖現(xiàn)象,從而保證試驗(yàn)順利完成。

參考文獻(xiàn)

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