基于三模冗余的運載火箭增壓控制設(shè)備設(shè)計

劉 倩，李 亮，李 雷，祁錦媛，胡 斌

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

基于三模冗余的運載火箭增壓控制設(shè)備設(shè)計

劉 倩，李 亮，李 雷，祁錦媛，胡 斌

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

目前某型號運載火箭增壓輸送系統(tǒng)采用機械式控制方式，該方式調(diào)試難度較高、誤差較大;為此提出了一種基于三模冗余的數(shù)字式增壓控制設(shè)備方案;該增壓控制設(shè)備采用3個完全相同的處理單元進行壓力數(shù)據(jù)采集及處理，在每個處理單元中，由數(shù)字式壓力傳感器進行貯箱壓力測量并傳送給單片機；通過單片機進行軟件濾波和數(shù)據(jù)分析判讀處理，輸出控制信號;采用高可靠硬件表決單元對單片機輸出的控制信號進行三取二表決，輸出最終的電磁閥控制結(jié)果;試驗表明，該增壓控制設(shè)備易于調(diào)試和測試，測量精度在1%以內(nèi);該增壓控制設(shè)備已完成樣機研制，具有較高的通用性及可靠性。

三模冗余；增壓控制；數(shù)字式傳感器；容錯技術(shù)

0 引言

航天事業(yè)的發(fā)展關(guān)系到國家命運和在世界上的發(fā)言權(quán)，目前，美國和歐洲等航天強國致力于研發(fā)大直徑、大運載能力、高可靠性、無污染、易操作的新型運載火箭。為順應(yīng)這一趨勢，中國相繼研發(fā)一系列新型運載火箭，以提高我國運載火箭的運載能力。其中，無污染、高性能的液氧/煤油發(fā)動機和氫氧發(fā)動機是我國新型運載火箭系列的基本動力。2015年9月20日，由我所抓總研制的長征六號運載火箭“一箭二十星”首飛成功，開啟了新一代運載火箭的新紀元，實現(xiàn)了我國在無毒無污染液氧煤油發(fā)動機領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)突破。

增壓系統(tǒng)是液體運載火箭的重要分系統(tǒng)之一，用于提供火箭推進劑貯箱氣枕壓力，從而滿足發(fā)動機起動及飛行過程中所需的推進劑入口正常的工作壓力，并滿足火箭推進劑貯箱薄壁結(jié)構(gòu)承載所需要的內(nèi)壓要求，保證貯箱結(jié)構(gòu)有足夠的強度和剛度。在工作過程中，增壓氣體進入推進器貯箱，膨脹后占據(jù)推進劑排出后的空間，對液體推進劑產(chǎn)生工作壓力[1]。

目前，某新型運載火箭助推模塊采用液氧/煤油發(fā)動機，為常溫氦氣閉式增壓方式，增壓氣體由高壓氣瓶經(jīng)主副路增壓器進入貯箱增壓[2]。箱壓反饋方式為壓力信號器+繼電器，其中，壓力信號器通過測壓管與貯箱氣枕連接，根據(jù)貯箱壓力進行動作，當貯箱壓力高于壓力信號器設(shè)定上限值時，壓力信號器觸點斷開，控制器斷開電磁閥供電，電磁閥關(guān)閉；貯箱壓力低于壓力信號器設(shè)定下限時，壓力信號器觸點閉合，控制器接通電磁閥供電，電磁閥打開。壓力信號器為機械結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整彈簧旋入量來調(diào)整壓力基準值，調(diào)試難度較大，不同批次產(chǎn)品之間的參數(shù)誤差也較大；在進行振動試驗時，壓力信號器易出現(xiàn)超差現(xiàn)象；對于同一壓力信號器，其控制壓力點固定，當壓力控制帶發(fā)生變化時，需要配套新的壓力信號器，通用性較差。

為適應(yīng)當前運載火箭密集發(fā)射的形勢，需要研制一種新型增壓控制設(shè)備，以提高測壓精度、降低調(diào)試難度、縮短研制周期，進而達到批量生產(chǎn)，提高產(chǎn)品以及系統(tǒng)可靠性的目標。

1 系統(tǒng)設(shè)計

新型增壓控制設(shè)備通過壓力傳感器進行箱壓測量，系統(tǒng)方案示意圖見圖1。三路壓力傳感器分別對貯箱壓力進行實時測量，增壓控制設(shè)備接收實時壓力數(shù)值并進行處理，輸出主路和副路電磁閥控制信號。

圖1 增壓系統(tǒng)壓力傳感器控制方案示意圖

增壓控制設(shè)備采用三模冗余設(shè)計，這是一種常用的硬件冗余技術(shù)，3個模塊同時工作，執(zhí)行相同的功能，利用表決器進行判斷并產(chǎn)生最終輸出結(jié)果。該技術(shù)可以將故障有效的屏蔽起來，3個模塊中只要不同時出現(xiàn)兩個相同的錯誤，就能保證系統(tǒng)正確輸出。由于3個模塊是相互獨立的，有兩個模塊同時出現(xiàn)故障的概率非常低，因此可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。

該種控制方式取消機械式壓力門限判斷方法，采用壓力傳感器監(jiān)測貯箱壓力，并通過RS485數(shù)字總線輸出，可以提高壓力測量精度；由增壓控制設(shè)備進行增壓控制，僅需要修改軟件，就可以靈活設(shè)置和調(diào)整貯箱壓力控制帶，提高產(chǎn)品的通用性；通過在軟件中存入壓力校準信息，配合數(shù)字式測試設(shè)備，便可以完成整個系統(tǒng)的調(diào)試，極大的降低調(diào)試難度。

2 硬件設(shè)計

增壓控制設(shè)備原理框圖如圖2所示，增壓控制設(shè)備由3個完全相同且相互隔離的處理單元以及兩個表決單元組成。

圖2 增壓控制設(shè)備原理框圖

增壓控制設(shè)備中設(shè)置3個完全相同的處理單元接收壓力數(shù)值。對于每個處理單元來說，壓力采集模塊通過RS485總線實時采集壓力傳感器的輸出，根據(jù)傳感器輸出與貯箱壓力的轉(zhuǎn)換關(guān)系獲知當前的貯箱壓力值，并將該值與設(shè)定條件進行比較，得出當前的控制結(jié)果。每個處理單元對應(yīng)一個貯箱壓力傳感器輸入，可分別輸出主路和副路兩路控制信號。3個處理單元組成三模冗余，其輸出的控制信號經(jīng)主路和副路表決單元進行三取二表決輸出，從而完成電磁閥的驅(qū)動工作。

2.1 壓力傳感器選型

貯箱壓力作為增壓輸送系統(tǒng)的一項重要指標，其測量的準確性對貯箱壓力的正確控制具有重要作用。考慮到測量精度和實際使用的環(huán)境要求，選用的數(shù)字式壓力傳感器量程為0～0.6 MPa，工作溫度范圍為-40～60℃，全溫區(qū)誤差不大于1%F.S。該傳感器由敏感組件和變換器兩部分組成，可將測量到的壓力數(shù)據(jù)編幀后通過RS485異步串行通訊接口輸出。

使用數(shù)字式壓力傳感器進行貯箱壓力測量，具有穩(wěn)定性好、準確度高、抗干擾能力強的優(yōu)點。由于采用標準RS485接口，不需要進行信號轉(zhuǎn)換，可直接與后續(xù)壓力采集模塊進行總線通訊，從而簡化硬件電路設(shè)計，降低產(chǎn)品體積和功耗，提高設(shè)計可靠性。

2.2 壓力采集模塊設(shè)計

壓力采集模塊中選用8位微控制器AT89C51進行邏輯控制，單片機及其外圍電路的連接示意見圖3。AT89C51最高工作頻率為30 MHz，具有一路全雙工的串行口，外接RS485接口芯片SNJ55LBC176后可以與數(shù)字式壓力傳感器進行通信。單片機接收到壓力數(shù)據(jù)進行處理后，輸出主路和副路控制信號。為增強驅(qū)動能力，輸出信號經(jīng)達林頓陣列SG2003進行輸出。

圖3 增壓控制設(shè)備原理框圖

為防止軟件跑飛、死循環(huán)，在硬件上設(shè)置看門狗電路，選用芯片MAX813L，當CPU不能在1.6 s內(nèi)給出喂狗信號時，MAX813L輸出時長為200 ms的復(fù)位信號至CPU。該芯片還可以對電源信號進行監(jiān)控，當電源電壓不滿足門限要求時，對單片機進行復(fù)位。

2.3 表決單元設(shè)計

對三模冗余系統(tǒng)而言，表決單元的可靠度是至關(guān)重要的。表決電路的實現(xiàn)需要簡單可靠，以免由于其可靠性影響到整個系統(tǒng)的可靠性。本設(shè)計采用繼電器觸點來實現(xiàn)表決，繼電器為無源器件，可以避免受到電源、環(huán)境等不利影響[3]。另外，由于表決單元需對電磁閥進行驅(qū)動，電磁閥工作電流較大，通過選用合適的繼電器可以直接驅(qū)動電磁閥，省去驅(qū)動電路設(shè)計，簡化硬件資源。

增壓控制設(shè)備中包含兩個表決單元，分別對主路和副路電磁閥進行通斷控制。表決單元原理見圖4。每個表決單元包括6個繼電器，繼電器線圈正端接電源，負端接CPU輸出的控制信號，繼電器觸點之間進行串并聯(lián)以實現(xiàn)三取二表決。通過使用該表決結(jié)構(gòu)，單個處理單元或單個繼電器發(fā)生故障時，都不會造成表決失效。

圖4 表決單元原理圖

2.4 電源模塊設(shè)計

每個處理單元配置一個獨立的電源模塊，用于產(chǎn)生控制單元所需的5 V電壓、壓力傳感器所需的±15 V電壓以及表決單元中繼電器所需的+12 V電壓。為達到更高的安全性，保持模塊間的獨立性，利用3個隔離電源模塊保證3個處理單元相互隔離。

3 軟件設(shè)計

增壓控制設(shè)備中的軟件主要實現(xiàn)以下功能：接收壓力傳感器數(shù)據(jù)，當接收到的壓力值PC小于壓力值下限時，打開電磁閥；當接收到的壓力數(shù)據(jù)大于壓力值上限時，斷開電磁閥；當壓力值在上限和下限之間時，電磁閥保持上一開關(guān)狀態(tài)。軟件流程圖見圖5。程序開始時，單片機先進行各功能模塊初始化，此時電磁閥被置為初始狀態(tài)。然后單片機開始接收傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進行貯箱狀態(tài)判斷及電磁閥控制信號輸出。

圖5 軟件流程圖

3.1 壓力數(shù)據(jù)接收設(shè)計

壓力數(shù)據(jù)接收的可靠性和準確性對貯箱壓力控制至關(guān)重要，設(shè)計時主要采取兩個措施：一是在串口數(shù)據(jù)接收時時采取滑窗判斷方式，從而可靠識別數(shù)據(jù)幀，防止出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象。另外，傳感器進行數(shù)據(jù)采集和傳輸時，可能受到周邊環(huán)境的干擾，造成數(shù)據(jù)誤差。因傳感器輸出的信號為數(shù)字信號，在設(shè)計時采取數(shù)字濾波來抑制干擾。根據(jù)壓力數(shù)據(jù)采集的特點，采用中位值、平均值復(fù)合濾波算法，具體算法如下：單片機連續(xù)接收N次傳感器數(shù)據(jù)，去掉最大值和最小值，然后求剩余N-2個數(shù)據(jù)的平均值。采用該種濾波算法可以同時濾除尖峰脈沖和持續(xù)時間較長的干擾信號[4]，適用于進行壓力數(shù)據(jù)采集。

3.2 貯箱狀態(tài)判斷設(shè)計

在進行貯箱狀態(tài)判斷時，設(shè)主路電磁閥壓力值上下限分別為P4、P3，副路電磁閥壓力值上下限分別為P2、P1，這樣可以將整個壓力數(shù)據(jù)帶分為5個區(qū)間，每個區(qū)間對應(yīng)一個狀態(tài)。每當單片機接收到一個新的壓力值PC，判斷其處于哪一個區(qū)間，是否與前一狀態(tài)發(fā)生變化。當壓力狀態(tài)發(fā)生變化時，進行輸出狀態(tài)變換；否則保持原狀態(tài)不動。使用狀態(tài)機進行編程，使程序簡單易讀，適用于進行貯箱壓力的實時控制。

3.3 同步分析

三模冗余系統(tǒng)中的3個處理單元是相互獨立的，能否保持其同步運行將直接影響整個系統(tǒng)的功能和操作的準確性。這種不同步一方面是因為輸入信號的差異，3個傳感器安裝位置不同，所測壓力值也具有一定的差異；另一方面是因為3個處理單元各自有獨立的時鐘。

對于傳感器的安裝差異，通過對增壓系統(tǒng)中傳感器具體安裝位置的壓力值進行試驗測量，將各傳感器測量差值存入軟件，由軟件進行校準。

對于時鐘不同步，本設(shè)計采用松散時鐘耦合方式，不額外添加時鐘同步電路及信息交換電路，從而降低3個系統(tǒng)之間的耦合度，并降低系統(tǒng)的共模誤差[5]。在這種模式下，通過調(diào)整傳感器每個采樣周期的采樣個數(shù)，使得3個處理單元之間的不同步性對電磁閥的正確控制無影響。

具體分析如下：本系統(tǒng)中電磁閥的開關(guān)控制間隔最短為1 s，單片機每接收10次傳感器數(shù)據(jù)(即20×10=200 ms)進行一次狀態(tài)更新。假設(shè)處理單元1最先接收完10個數(shù)據(jù)，輸出控制信號至表決單元，此時表決單元維持原狀態(tài)；200 ms內(nèi)，控制單元2也完成接收，輸出控制信號；因為表決單元為三取二邏輯，此時表決單元可正確進行狀態(tài)更新?？梢?，3個處理單元的最大時鐘不同步為200 ms，小于電磁閥的開關(guān)控制間隔要求，該系統(tǒng)的時鐘不同步性不會影響電磁閥的正確控制。

4 試驗結(jié)果與分析

為驗證增壓控制設(shè)備的功能性能，設(shè)計生產(chǎn)了原理樣機，并進行了單機測試及振動試驗。試驗時在上位機上采用Labview軟件，接收壓力傳感器采集的實時壓力數(shù)據(jù)，對電磁閥通斷狀態(tài)進行監(jiān)測及顯示，并按照實際使用環(huán)境要求進行振動試驗，測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 電磁閥開關(guān)門限測試數(shù)據(jù)

測試結(jié)果表明，該增壓控制設(shè)備可以準確控制電磁閥開關(guān)狀態(tài)，壓力上下限控制精度在1%以內(nèi)。該設(shè)備順利通過振動試驗，不會出現(xiàn)原有機械式測量方式在振動環(huán)境下超差的現(xiàn)象，具有較高的環(huán)境適應(yīng)性。

5 結(jié)論

基于三模冗余的增壓控制設(shè)備使用數(shù)字式壓力傳感器測量貯箱壓力，可以通過軟件設(shè)計來靈活設(shè)置和調(diào)整貯箱壓力控制帶，提高了壓力測量精度，且一種產(chǎn)品可以滿足不同類型貯箱壓力控制的需求，解決了機械式壓力信號器調(diào)試困難、難以產(chǎn)品化等缺點，同時可以提高壓力測量精度。通過冗余設(shè)計，可以保證在一個處理單元發(fā)生故障的前提下仍能正確進行控制，提高了增壓控制設(shè)備的可靠性，具有一定的先進性和推廣價值。

[1] 范瑞祥,田玉蓉,黃 兵.新一代運載火箭增壓技術(shù)研究[J].火箭推進,2012(8):9-10.

[2] 姚 娜,李會萍,程光平,等.新一代運載火箭推進劑貯箱的冗余氦氣增壓系統(tǒng)[J].上海航天,2014(2):42.

[3] 趙 舫,王國華.容錯技術(shù)在微機變壓器保護中的應(yīng)用[J].浙江電力,1995(4):9.

[4] 向紅軍,雷 彬.基于單片機系統(tǒng)的數(shù)字濾波方法的研究[J].電測與儀表,2005(9):55.

[5] 潘 雷.三取二平臺的時鐘同步算法[J].鐵道通信信號,2011.12:72-73.

Design of Tank Pressure Controller of Launch Vehicle Based on Triple Modular Redundancy

Liu Qian，Li Liang，Li Lei，Qi Jinyuan，Hu Bin

(Shanghai Institute of Aerospace System Engineering, Shanghai 201109, China)

The current launch vehicle pressurization system adopts mechanical control method, which is difficult for debugging and measurement error controlling. Therefore an electronic controller is proposed based on triple modular redundancy. There are three processing units for pressure data acquisition and processing. In each unit, tank pressure is measured by a digital sensor, and then transmitted to microcontroller. The data collected is handled by digital filters and intelligent interpretation to control the hardware voter. The control of electromagnetic is obtained by the two-out-of-three strategy. Through testing, the controller has good performance in debugging and testing, and the pressure accuracy is within 1%. The controller completed the prototype, and has high universality and reliability.

triple modular redundancy; pressurization control; digital sensor; fault-tolerant technique

2016-09-14；

2016-11-02。

劉 倩(1984-)，女，河北滄州人，碩士，主要從事運載火箭電子設(shè)備設(shè)計方向的研究。

1671-4598(2017)03-0067-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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