中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心 李海偉 楊友超 張 翔 潘江江 姜 爽

電氣系統(tǒng)大型試驗(yàn)測(cè)試控制模式研究

中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心 李海偉 楊友超 張 翔 潘江江 姜 爽

【摘要】介紹了電氣系統(tǒng)大型試驗(yàn)中航空航天領(lǐng)域測(cè)試控制模式。通過(guò)對(duì)導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星上成熟的測(cè)控技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了自動(dòng)為主、手動(dòng)為輔的綜合控制模式；通過(guò)對(duì)并發(fā)分布式測(cè)控架構(gòu)的研究，闡述了基于該架構(gòu)的綜合測(cè)控模式，提高了測(cè)控的可靠性、安全性和測(cè)試效率，建議在電氣系統(tǒng)大型試驗(yàn)頂層設(shè)計(jì)中予以推廣應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】電氣系統(tǒng)；測(cè)試控制；模式；可靠性

0 概述

在電氣系統(tǒng)大型試驗(yàn)中，測(cè)試與控制綜合為一體化，控制模式可分為手動(dòng)和自動(dòng)控制，分布式和集中式控制、并發(fā)控制和單發(fā)控制等幾種形式。通過(guò)測(cè)試獲得必要的信息，綜合判斷信息后，進(jìn)行自動(dòng)控制和手動(dòng)控制模式。自動(dòng)控制用于閉環(huán)測(cè)試，手動(dòng)控制可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)測(cè)試。通過(guò)綜合閉環(huán)和開(kāi)環(huán)測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)，建立基于分布式架構(gòu)的綜合測(cè)試模式，提高測(cè)試控制的可靠性、安全性和測(cè)試效率。

1 航空領(lǐng)域測(cè)控模式

航空領(lǐng)域飛機(jī)上測(cè)試多采用機(jī)內(nèi)測(cè)試（Built-in Test，BIT）。BIT是系統(tǒng)、設(shè)備內(nèi)部提供的檢測(cè)、隔離故障的自動(dòng)測(cè)試能力。在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)故障，多采用自動(dòng)控制模式，將主機(jī)切換到備機(jī)，或主模塊切換到備份模塊。波音787飛機(jī)建立了飛機(jī)信息與維護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)上數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)收集、故障處理和顯示，實(shí)現(xiàn)故障原因分析以消除級(jí)聯(lián)故障，實(shí)現(xiàn)飛行面板效應(yīng)與系統(tǒng)故障的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)到地面維護(hù)系統(tǒng)，擴(kuò)展診斷和預(yù)測(cè)分析等功能。

機(jī)內(nèi)測(cè)試的特點(diǎn)是：故障診斷速度快，故障檢測(cè)時(shí)間短，檢測(cè)效率高；人為誘發(fā)的故障大大減少；測(cè)試維修人員的數(shù)量和技術(shù)等級(jí)要求降低；對(duì)保障設(shè)備、通用測(cè)試設(shè)備等要求也大大降低；多級(jí)分布式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)、模塊、芯片級(jí)的測(cè)試、檢測(cè)和故障診斷；BIT能夠檢測(cè)深層次的故障，系統(tǒng)的任務(wù)可靠度得到大幅提高。

2 航天領(lǐng)域測(cè)控模式

2.1 導(dǎo)彈測(cè)控技術(shù)

VEM總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展稱之為VXI總線（VEMbus Extension for Instrumentation的縮寫(xiě)）。VEM總線僅僅具有其總線自身的標(biāo)準(zhǔn)，缺乏與其他設(shè)備配套的標(biāo)準(zhǔn)。VXI總線的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)所有儀器廠家可以公開(kāi)使用，與現(xiàn)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容，更加完整健全［1］。

使用VXI總線搭建的導(dǎo)彈測(cè)控系統(tǒng)采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的設(shè)計(jì)理念，具備擴(kuò)展性和靈活適用的特點(diǎn)，一般組成框圖見(jiàn)圖1。

圖1 使用VXI總線搭建的導(dǎo)彈測(cè)控系統(tǒng)組成框圖

使用VXI總線搭建的導(dǎo)彈測(cè)發(fā)控系統(tǒng)一般由O槽控制器、數(shù)字萬(wàn)用表和多路轉(zhuǎn)換器和多路開(kāi)關(guān)量輸入模件等設(shè)備組成，主要實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)視、控制和測(cè)量等功能。由多路開(kāi)關(guān)量輸入模件完成對(duì)被測(cè)控設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視，并在出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行報(bào)警等操作；多路開(kāi)關(guān)量輸入模件以及由它們所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對(duì)被測(cè)設(shè)備的狀態(tài)設(shè)置、狀態(tài)切換、設(shè)備的啟動(dòng)/停止，使設(shè)備處于某種工作狀態(tài)；在多路開(kāi)關(guān)量輸入模件的配合下由數(shù)字萬(wàn)用表完成測(cè)量直流電壓、交流電壓、電阻等信號(hào)。多路開(kāi)關(guān)量輸入模件工作方式有兩種，即查詢方式和中斷方式。

2.2 火箭測(cè)控技術(shù)

火箭上測(cè)控系統(tǒng)有三項(xiàng)技術(shù)需要解決：基于COTS（Commercial Off The Shelf）組件的系統(tǒng)集成技術(shù)、測(cè)控接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和測(cè)發(fā)控軟件通用化設(shè)計(jì)。其中測(cè)控軟件通用化設(shè)計(jì)是測(cè)控系統(tǒng)通用化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

軟件設(shè)計(jì)中需要考慮自動(dòng)測(cè)控和手動(dòng)測(cè)控的區(qū)別。通過(guò)手動(dòng)和自動(dòng)控制相結(jié)合的方法，提高測(cè)控的可靠性。

2.3 衛(wèi)星測(cè)控技術(shù)

衛(wèi)星測(cè)控技術(shù)分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種方式，其中人在回路判讀的方式為開(kāi)環(huán)測(cè)試；由計(jì)算機(jī)自動(dòng)判讀后執(zhí)行測(cè)試動(dòng)作的方式為閉環(huán)測(cè)試。測(cè)試的基本過(guò)程如圖2所示，通過(guò)上行鏈路對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行激勵(lì)和控制，通過(guò)下行鏈路對(duì)其響應(yīng)進(jìn)行收集。

圖2 測(cè)試原理圖

圖3 測(cè)試原理圖

衛(wèi)星測(cè)試中包含兩個(gè)主要環(huán)路：遙測(cè)/遙控（TM/TC）環(huán)和分系統(tǒng)測(cè)試環(huán)。前者同衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)的測(cè)控環(huán)路相同，后則使用分系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備產(chǎn)生的上行激勵(lì)信號(hào)經(jīng)測(cè)試專用線送到星上分系統(tǒng)，分系統(tǒng)響應(yīng)后在遙測(cè)參數(shù)上進(jìn)行判讀（見(jiàn)圖3）。

3 控制模式研究

通過(guò)對(duì)航空航天領(lǐng)域大型試驗(yàn)中測(cè)試控制模式的分析研究，有以下啟示：手動(dòng)控制模式有助于故障排查，詳細(xì)跟蹤測(cè)試過(guò)程，將系統(tǒng)功能和性能測(cè)試完整，但是效率較低，不適應(yīng)大型試驗(yàn)發(fā)射陣地要求快速測(cè)試，在發(fā)射窗口內(nèi)完成發(fā)射任務(wù)。自動(dòng)控制模式極大地提高了測(cè)試效率，但是在重要關(guān)鍵的測(cè)試結(jié)點(diǎn)上，影響可靠安全性的事件觸發(fā)條件不能人為干預(yù)，不適應(yīng)大型試驗(yàn)技術(shù)陣地靈活多變的試驗(yàn)條件要求。

通過(guò)采用自動(dòng)控制模式和手動(dòng)控制模式相結(jié)合方式，在重要關(guān)鍵的測(cè)試結(jié)點(diǎn)上建立人為判定的手動(dòng)控制，次重要環(huán)節(jié)采用自動(dòng)控制模式，即提高了測(cè)試效率也保證了測(cè)試的可靠性和安全性。

4 并發(fā)分布式測(cè)控架構(gòu)

4.1 硬件組成

采用主控計(jì)算機(jī)和若干臺(tái)分布式計(jì)算機(jī)，采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，上位機(jī)采用LabWindows/CVI編程，下位機(jī)采用PCI板卡采集數(shù)據(jù)。并發(fā)分布式測(cè)控架構(gòu)采用了多線程實(shí)時(shí)采集控制，數(shù)據(jù)保護(hù)和通信保證分布式控制技術(shù)。

4.2 分布式控制軟件架構(gòu)

分布式控制軟件有兩種架構(gòu)：B/S模式和C/S模式。

B/S（Brower/Server，簡(jiǎn)稱B/S）模式，通過(guò)安裝在客戶機(jī)上的通用瀏覽器軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)機(jī)的訪問(wèn)，在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)主要業(yè)務(wù)邏輯。

C/S（Client/Server，簡(jiǎn)稱C/S）模式，安裝了大型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)如Oracle、Sybase或SQL Server等的高性能微機(jī)或小型機(jī)作為服務(wù)器，在安裝專用軟件的客戶端實(shí)現(xiàn)主要業(yè)務(wù)邏輯［3］。

（1）B/S模式的優(yōu)勢(shì)

B/S模式具有客戶端簡(jiǎn)單、開(kāi)發(fā)和維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)，適用于發(fā)布消息，以廣播形式傳播信息，使得工作效率提高，工作成本降低。

B/S模式下主要業(yè)務(wù)邏輯在服務(wù)器端，當(dāng)有大量的數(shù)據(jù)輸入、業(yè)務(wù)報(bào)表輸出時(shí)實(shí)現(xiàn)較困難，另外大量客戶端訪問(wèn)時(shí)，服務(wù)器端會(huì)出現(xiàn)負(fù)載過(guò)重的情況。

（2）C/S模式優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于B/S模式，C/S模式具有交互性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)通信量低等優(yōu)勢(shì)，并發(fā)分布式測(cè)控架構(gòu)建議采用C/S軟件架構(gòu)。

4.3 基于并發(fā)分布式架構(gòu)的綜合測(cè)控模式

綜合測(cè)控模式建立在并發(fā)分布式控制軟件架構(gòu)基礎(chǔ)之上，通過(guò)手動(dòng)測(cè)控和自動(dòng)測(cè)控相結(jié)合的方式進(jìn)行測(cè)試控制，保證電氣系統(tǒng)大型試驗(yàn)中測(cè)控的可靠性和安全性。

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了航空航天領(lǐng)域電氣系統(tǒng)大型試驗(yàn)中測(cè)試控制模式，通過(guò)對(duì)火箭、導(dǎo)彈和衛(wèi)星地面大型試驗(yàn)中測(cè)試控制技術(shù)的研究，分析了自動(dòng)控制模式和手動(dòng)控制模式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了基于分布式控制架構(gòu)的綜合控制模式，并對(duì)分布式控制軟件架構(gòu)的兩種方式進(jìn)行了分析比對(duì)，給出了基于C/S軟件架構(gòu)的綜合測(cè)控模式，即提高了測(cè)試控制的效率，又保證了測(cè)控的可靠性和安全性，建議在電氣系統(tǒng)大型試驗(yàn)頂層設(shè)計(jì)中予以推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

［1］楊海瓊.基于VXI總線的導(dǎo)彈地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)［J］.導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2006（2）.

［2］王慶成.衛(wèi)星測(cè)試中應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題［J］.航天工程，1998.

［3］王士成.衛(wèi)星運(yùn)行控制系統(tǒng)混合模式架構(gòu)研究［J］.無(wú)線電工程信息系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)，2013.

［4］謝永成.機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)綜述［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013（3）.

Research on the Testing&Control Mode of the Large Electric System Experiment

Abstract：Introduce Testing&Control Mode of the Large Electric System Experiment in domestic and overseas.By reaseaching mature Testing&Control technology of missile rocket and satellite，this paper presents integrated Control Mode that anto Control is main amd manual Control is assistant.By reaseaching subsequent distributed Testing&Control artchecture， this paper expounds integrated Testing&Control Mode，improving reliability security and efficiency of test&Control.

Key words：Electric System；Testing&Control；Mode；Reliability

作者簡(jiǎn)介：

李海偉（1982—），男，碩士，工程師，研究方向：供配電及測(cè)試技術(shù)。