李世其，余 昆，劉世平，朱文革，王明明

(華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院，武漢430074)

1 引言

利用在地面無法獲得長期的空間微重力、超高真空和超凈等極端的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以幫助材料科學(xué)家揭示空間環(huán)境下材料形成過程中的科學(xué)規(guī)律，為科學(xué)研究提供直接的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為有規(guī)模的空間材料生產(chǎn)打下基礎(chǔ)［1］，科學(xué)地指導(dǎo)地面材料研究、生產(chǎn)和應(yīng)用［2-3］。由于空間環(huán)境和航天器的限制，空間實(shí)驗(yàn)與地面實(shí)驗(yàn)區(qū)別很大，因而人為的干預(yù)控制是提高實(shí)驗(yàn)成功率與效率的重要手段?？臻g環(huán)境難以預(yù)知，實(shí)驗(yàn)艙處于長期無人照看的狀態(tài)，且空間材料實(shí)驗(yàn)存在樣品數(shù)量和種類增加的趨勢，加之實(shí)驗(yàn)設(shè)備故障需要排除等需求，使得空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要解決地面實(shí)時控制的問題，遙操作是解決這類需求的重要技術(shù)手段。

從20世紀(jì)70年代起，科學(xué)家開始在航天器上進(jìn)行微重力材料科學(xué)研究，在空間材料加熱實(shí)驗(yàn)方面，比較先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置有加拿大 ATEN(Advanced Thermal Environme nt)，俄羅斯 POLIZON加熱爐，日本的GHF(Gradient Heating Furnace)，歐空局低梯度爐(Low Gradient Furnace，簡稱LGF)。加拿大ATEN可通過位于加拿大宇航局(CSA)載荷遙操作中心(PTOC)的計算機(jī)進(jìn)行遙操作［4］;俄羅斯的POLIZON通過遙操作在地面站對加熱爐的溫度、壓力等診斷傳感器進(jìn)行監(jiān)視和控制，充分利用空間環(huán)境資源［5］。日本GHF可以通過遙操作靈活改變每一個加熱單元的位置以及完成樣品的自動更換，其中料倉、機(jī)械臂和樣品夾的運(yùn)動可自動操作或由地面進(jìn)行遙操作［6］。

國外先進(jìn)的空間材料加熱實(shí)驗(yàn)設(shè)備有許多共同點(diǎn)，基本上都使用了遙操作手段［7］。而我國的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備幾乎不具備遙操作能力，只有少數(shù)設(shè)備進(jìn)行過初步的遙操作實(shí)驗(yàn)［1］。限于天地通信鏈路尚未全程覆蓋以及受通信量的限制，我國以往的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)多采用指令注入方式，實(shí)驗(yàn)過程按預(yù)編程序進(jìn)行，且預(yù)制的程序主要按照地面的實(shí)驗(yàn)條件和預(yù)想的結(jié)果來編制;近年來我國也逐漸利用程序注入來調(diào)整、控制實(shí)驗(yàn)流程和參數(shù)，甚至更換空間材料實(shí)驗(yàn)裝置的主程序。

研究、利用遙操作技術(shù)對空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時交互控制是空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。文中通過研究晶體生長加熱爐試驗(yàn)的遙操作系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行基于遙操作的晶體生長加熱爐試驗(yàn)來對空間材料加熱實(shí)驗(yàn)的遙操作技術(shù)進(jìn)行研究。

圖1 晶體生長加熱爐試驗(yàn)遙操作方案圖Fig.1 The scheme of crystal growth furnace experiment of teleoperation

2 遙操作系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 晶體生長加熱爐試驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)空間站長期在軌自主飛行、無航天員時艙內(nèi)空間材料加熱實(shí)驗(yàn)情形以及晶體生長加熱爐試驗(yàn)對遙操作的需求，制定了遙操作試驗(yàn)方案，圖1為基于遙操作技術(shù)的晶體生長加熱爐試驗(yàn)方案圖。

晶體生長加熱爐試驗(yàn)運(yùn)用遙操作技術(shù)進(jìn)行控制，該遙操作系統(tǒng)由主端子系統(tǒng)、從端子系統(tǒng)、時延模擬器和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)組成。

主端子系統(tǒng)有一個集成化的遙操作控制臺，主要功能是向從端控制軟件發(fā)送控制信息，控制試驗(yàn)裝置完成樣品的加熱及取回等一系列操作，并監(jiān)視和控制樣品抓取、加熱過程中的樣品位置、速度以及溫度等參數(shù)，并可以實(shí)時發(fā)送宏指令改變這些試驗(yàn)參數(shù)。遙操作晶體生長加熱爐試驗(yàn)主端子系統(tǒng)界面如圖2所示。從端子系統(tǒng)主要功能是給加熱爐控制部件發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)遙操作的目的。遙操作晶體生長加熱爐試驗(yàn)從端子系統(tǒng)界面如圖3所示。試驗(yàn)中為了再現(xiàn)真實(shí)時延，需要使用時延模擬器，用以產(chǎn)生和真實(shí)情況相近的時延，使試驗(yàn)結(jié)果接近真實(shí)情況。網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)主、從端的實(shí)時通信。晶體生長加熱爐裝置由外筒、反光材料、絕熱材料、加熱單元和待加熱樣品五部分構(gòu)成，用于進(jìn)行樣品的加工。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。加熱單元分為3個溫區(qū)，分別可以設(shè)置不同的溫度。晶體生長加熱爐虛擬模型如圖5所示。

圖2 晶體生長加熱爐試驗(yàn)主端子系統(tǒng)界面Fig.2 The main terminal system interface of crystal growth furnace experiment

圖3 晶體生長加熱爐試驗(yàn)從端子系統(tǒng)界面Fig.3 The subordinate terminal system interface of crystal growth furnace experiment

從端傳感器獲取的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送回主端用于進(jìn)行溫度場的預(yù)測仿真，使用數(shù)值求解獲得的各個離散點(diǎn)的溫度值預(yù)測下一時刻爐內(nèi)各個溫區(qū)溫度的變化以及溫度值，且使用求解值進(jìn)行三維溫度場可視化，并以此為依據(jù)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程中的遙操作控制與干預(yù)，所以晶體生長加熱爐試驗(yàn)的遙操作技術(shù)研究，將溫度場的預(yù)測仿真作為關(guān)鍵技術(shù)研究。

圖4 晶體生長加熱爐結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of crystal growth furnace

圖5 模擬晶體生長加熱爐虛擬模型Fig.5 Virtual model of crystal growth furnace

2.2 遙操作晶體生長加熱爐試驗(yàn)溫度場的預(yù)測仿真

2.2.1 三維溫度場可視化仿真

溫度場是各個時刻物體中各點(diǎn)溫度分布的總稱，它是時間和空間的函數(shù)，即t=f(x，y，z，τ)［8］?？臻g晶體生長實(shí)驗(yàn)中，晶體生長加熱爐內(nèi)溫度場的分布對晶體生長有著直接的影響，關(guān)系晶體生長的質(zhì)量。在試驗(yàn)過程中通過反饋的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對加熱爐內(nèi)的溫度進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，可視化顯示溫度場，利用求解的離散溫度值進(jìn)行溫度預(yù)測，使用遙操作控制試驗(yàn)過程。圖6為晶體生長加熱爐溫度場建模及可視化方法總體流程圖。

結(jié)合晶體生長加熱爐自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加熱原理，建立晶體生長加熱爐的數(shù)學(xué)模型。針對模型求解比較復(fù)雜的特點(diǎn)，采用數(shù)值求解，對棒料進(jìn)行網(wǎng)格剖分，利用熱平衡法建立每個微元體的能量守恒方程，形成迭代方程組。

在密閉空間的特殊環(huán)境下，電阻絲對棒料加熱屬于熱傳導(dǎo)和熱輻射結(jié)合的導(dǎo)熱問題，建模和求解可簡明地表示為:

圖6 晶體生長加熱爐溫度場建模及可視化方法總體流程圖Fig.6 Temperature field modeling and visualization methods of crystal growth furnace

在對所有材料進(jìn)行包括質(zhì)地均勻等一些列符合工程問題的假設(shè)基礎(chǔ)上，在圓柱坐標(biāo)系下，對棒料內(nèi)部微元體(m，n)建立離散方程(2)，用微元體m，n周圍的4個微元體的溫度來表示微元體(m，n)的溫度。

對棒料和電阻絲組成的封閉的環(huán)境進(jìn)行多表面系統(tǒng)輻射換熱計算，可以建立離散方程組:

其中，Xij為微元面間的角系數(shù)，通過數(shù)值擬合求得。整理離散方程組，可以得到Ji的表達(dá)式。對棒料表面微元環(huán)與電阻絲微元環(huán)之間的熱量交換簡化處理后，得到晶體生長加熱爐溫度場模型的控制方程組(4):

1)中間微元體

2)左邊界微元體

3)右邊界微元體

4)下邊界微元體

5)上邊界微元體

以(4)作為單值性條件，對于棒料內(nèi)部微元體采用高斯——賽德爾迭代法;對于邊界微元體，熱傳導(dǎo)部分的溫度采用上一輪迭代計算的值，把熱輻射部分的溫度作為未知量，通過迭代公式計算出它的值，作為本輪迭代計算的結(jié)果，用此分而治之的方法對單值性條件方程組進(jìn)行迭代求解。最后，用逐點(diǎn)插入法［10］，采用 Delaunay四面體作為三角網(wǎng)［11］，將數(shù)值求解得到的各個離散點(diǎn)連接成一個三角網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上，采用直接線段連接法計算繪制三角面等值線［12］、利用“Marching Tetrahedron”(MT)法計算繪制等值面，按照場景圖使OpenInventor構(gòu)建樹形場景［13］，向場景中加入網(wǎng)格化加熱爐、等值線、等值面等，實(shí)現(xiàn)溫度場可視化。圖7為三維溫度場可視化結(jié)果。

2.2.2 加熱爐溫度場預(yù)測技術(shù)

晶體生長加熱爐試驗(yàn)中，在爐體各溫區(qū)內(nèi)壁放置幾個熱電偶用于測量樣品表面的溫度。利用各點(diǎn)的溫度進(jìn)行爐內(nèi)溫區(qū)溫度的預(yù)測，判斷樣品的當(dāng)前與未來的加熱狀況，通過遙操作指令，改變各電阻絲功率控制爐內(nèi)各溫區(qū)溫度，控制樣品的運(yùn)動(如插入長短、位置等)，改變樣品加熱時間，來控制試驗(yàn)過程。

圖7 三維溫度場可視化結(jié)果顯示Fig.7 Result of visualization of three-dimensional temperature field

在空間的微重力環(huán)境中，對流引起的熱交換影響可以忽略;通過空氣的傳導(dǎo)引起的熱交換遠(yuǎn)小于通過熱輻射的熱交換，爐絲到材料間的熱傳導(dǎo)也可以忽略。可以假設(shè)微重力環(huán)境下爐絲到樣品之間的熱交換決定于熱輻射。

根據(jù)系統(tǒng)辨識理論［14-15］，采用相關(guān)系數(shù)法和最小二乘法對晶體爐的系統(tǒng)階次和參數(shù)辨識，取采樣周期為30 s，可得到離散時間傳遞函數(shù)矩陣(q－1是向后一步時間平移算子，q－1u(t)=u(t－1)):

其中，ui(i=1，2，3)是各溫區(qū)爐絲加熱控制的輸入數(shù)字量，范圍是［1，4853］根據(jù)輸出yi(i=1，2，3)查詢熱電偶特性表可以得到各測量點(diǎn)的溫度，并采用插值法擬合各溫區(qū)棒料表面溫度tf=f(z)。

根據(jù)所建模型，設(shè)置預(yù)測時間t，根據(jù)各個溫區(qū)的輸入數(shù)據(jù)，以及上一時間的測量和數(shù)值計算的值，通過Y(t)=G(q－1)。U(t)可以測算出隨著時間t變化，輸出數(shù)據(jù)的變化趨勢以及最終溫度。并把該時刻的測量數(shù)據(jù)作為下一時間的計算數(shù)據(jù)進(jìn)行滾動預(yù)測。根據(jù)預(yù)測的溫度遙操作交互控制試驗(yàn)過程。

3 試驗(yàn)描述

遙操作晶體生長加熱爐試驗(yàn)的主要步驟如表1所示。表中的“*”步驟為樣品2加工前的抓手位置初始化。

試驗(yàn)中，操作者通過外設(shè)(數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器、手控器等)發(fā)送遙操作任務(wù)或指令信息，對晶體生長加熱爐進(jìn)行操作，并依據(jù)視頻反饋和三維溫度場的分布情況以及溫度變化的預(yù)測，向從端試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)發(fā)送遙操作指令實(shí)時地修正實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如發(fā)送宏指令提前或者推遲取出樣品、通過宏指令控制樣品的插入深度以及位置、通過加熱爐裝置的控制部件遙操作改變電阻絲的功率以及各個溫區(qū)的溫度，以形成恒溫溫場或梯度溫場等方式進(jìn)行試驗(yàn)過程的遙操作監(jiān)控，使實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到預(yù)期的效果。圖8為樣品加熱過程中的溫度曲線和實(shí)時數(shù)據(jù)顯示，分別按時間和空間顯示溫度曲線，并且將溫度數(shù)據(jù)實(shí)時顯示。

表1 遙操作晶體生長加熱爐試驗(yàn)過程Table 1 Process of crystal growth furnace experiment of teleoperation

圖8 試驗(yàn)中溫度曲線繪制與數(shù)據(jù)顯示(℃)Fig.8 Temperature profile and data in experiment(℃)

4 結(jié)論

晶體生長加熱爐試驗(yàn)中，基于三維溫度場可視化結(jié)果和溫度預(yù)測數(shù)據(jù)，運(yùn)用了遙操作技術(shù)，通過調(diào)整電阻絲功率、加熱時間、樣品的運(yùn)動，對實(shí)驗(yàn)過程交互控制，提高試驗(yàn)的成功率。通過遙操作控制，原本定時加熱12 h的樣品加熱時間依據(jù)交互調(diào)整有所浮動，大部分情況下加熱時間減少，效率約提升12.5%，并且樣品的合格率較之非遙操作方式從70%提高到了接近90%。通過遙操作晶體生長加熱爐試驗(yàn)，驗(yàn)證了利用遙操作技術(shù)進(jìn)行空間材料加熱實(shí)驗(yàn)的可行性和有效性，將遙操作技術(shù)應(yīng)用于空間材料加熱實(shí)驗(yàn)?zāi)芴岣邔?shí)驗(yàn)效率與成功率。

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