◆李 鵬 陳 菡 康奧峰 / 文

QC案例：星敏支架精密控溫研究

◆李 鵬 陳 菡 康奧峰 / 文

編者按

上海衛(wèi)星工程研究所是我國氣象衛(wèi)星的搖籃，成立至今已研制和發(fā)射40多顆衛(wèi)星，“星辰”QC小組主要由航天器熱控設計師組成，曾多次獲得全國、上海市、航天系統(tǒng)優(yōu)秀質量管理小組榮譽。本案例獲得2016年上海市QC小組發(fā)表賽特等獎。

課題選擇

FY-4衛(wèi)星是我國新一代高精度氣象衛(wèi)星，星敏感器是衛(wèi)星進行高精度姿態(tài)測量和軌道控制的重要儀器，其安裝支架在不穩(wěn)定溫度場下的結構熱變形，將引起星敏光學頭部整體剛性位移，如離軸、離焦和相對傾斜，給星敏光學系統(tǒng)測量精度帶來極大影響。為了保證衛(wèi)星姿態(tài)確定精度，減小星敏支架熱變形，需保證支架溫度在17℃～23℃范圍內，穩(wěn)定性優(yōu)于±0.1℃/15min。

可行性分析

QC小組圍繞“基于星敏支架微熱變形需求的空間熱控技術”主題，開展頭腦風暴，集思廣益，分析形成3個備選課題：柔性高導熱材料技術、全被動熱控技術，以及精密控溫技術。小組從技術能力、資源需求、技術難度及應用前景等方面進行評價。

通過評估，精密控溫技術的控溫能力最強、適應性最好、綜合得分最高。因此確定本次QC活動的課題為：星敏支架精密控溫研究。結合型號背景需求及當前技術能力，對標“十三五”航天熱控領域發(fā)展規(guī)劃，確定課題目標為：精密控溫系統(tǒng)控溫精度優(yōu)于±0.1℃。

QC小組針對控溫精度的三個關鍵影響因素溫度采集與標定、控制算法、輸出控制，進行了目標可行性分析。經理論分析結合國外研制經驗，通過以下技術集成應用，可實現(xiàn)優(yōu)于±0.1℃的控溫精度，接近國外±0.03℃水平：

1）采用高精度鉑電阻代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱敏電阻作為測溫傳感器，預計測溫精度從0.3℃提高到0.01℃～0.1℃，并通過高精度溫度采集與標定電路消除測溫誤差；

2）采用先進控制算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)開關控制方式可極大提高控制精度與穩(wěn)定性，從±0.5℃提高到±0.05℃；

3）采用高頻控制輸出，縮短控制周期，進一步提高控制精度與穩(wěn)定性。

方案選擇與確定

根據本課題高精度、自適應控溫的特點，產品研制分解為三個主要研究模塊：高精度溫度采集與標定、自適應控制理論與算法、高精細化輸出控制。

（1）高精度溫度采集與標定

選取線性度、穩(wěn)定性、互換性好、響應時間短的四線制鉑電阻作為測控溫傳感器，這需合理地調理電路進行放大、轉換與校準。經分析，選擇700uA恒流源激勵電流，16位A/D轉換器，并進行標準通道+算法修正。

QC小組開展了誤差處理方法對比試驗。采用鉑電阻測量恒溫槽裝置（溫度精度0.01℃）內溫度。結果表明：采用“標準電阻+算法修正”時測溫偏差小于0.05℃，僅采用“算法修正”時測溫偏差大于0.3℃，“無算法修證”時測溫偏差大于0.5℃。

（2）自適應控制理論與算法

控制算法選?。核惴ㄊ菍崿F(xiàn)溫度場高精度、高穩(wěn)定、高自適應控制的關鍵。小組基于Matlab平臺搭建了控制對象的動態(tài)模型，對不同PID算法的控溫效果進行了仿真。引入瞬態(tài)外熱流以及擾變內功耗考察算法抗干擾能力。實驗顯示，在內外擾動下，神經網絡PID控制穩(wěn)定性優(yōu)于±0.05℃，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)位置式PID（±0.15℃）、增量式PID（±0.1℃）。

QC小組開展驗證試驗：采用空調吹風模擬對控制對象的擾動。在外界擾動下，神經網絡PID控制穩(wěn)定性和抗干擾能力顯著優(yōu)于傳統(tǒng)PID。

參數(shù)整定及優(yōu)化方案：PID參數(shù)Kp、Ki是決定超調量、穩(wěn)定時間等控制性能的關鍵。對算法初始參數(shù)Kp、Ki合理的整定與優(yōu)化，可以迅速建立精確、穩(wěn)定的溫度場。經小組仿真分析表明，采用單純型ITSE方法參數(shù)整定超調量0.1℃，穩(wěn)定時間約40min； Ziegler-Nichol法超調量、穩(wěn)定時間分別為0.5℃、100min。因此，參數(shù)整定優(yōu)化采用單純型ITSE方法。

（3）高精細化輸出控制

輸出頻率選?。涸诩訜崞骺刂屏浚≒WM）輸出端采用高頻處理，使加熱器開關控制無限近似于連續(xù)的電流控制，可極大提高控制穩(wěn)定性。QC小組開展了頻率對比試驗。結果表明，頻率越高控溫穩(wěn)定性越好，500Hz以上頻率時控制效果十分接近，均優(yōu)于±0.03℃。450Hz以下控制出現(xiàn)波動，超出±0.1℃。考慮軟、硬件資源需求，確定輸出頻率為高頻500Hz。

安全開關選?。盒l(wèi)星上常用的加熱器開關控制器件為繼電器和MOS管。為滿足高速脈寬調制下長期可靠工作7年，且開關響應時間盡量短要求，經分析選用MOS管。

PWM調制方案選?。篜WM調制量在每個周期內的分布情況影響最終控制效果，經分析確定采用均衡分布方式實現(xiàn)控制穩(wěn)定。小組進行了PWM調制方案的對比試驗，結果表明：采用PWM均衡分布控制效果明顯優(yōu)于集中分布方式，控制穩(wěn)定性優(yōu)于±0.03℃。

經過對模塊研制方案的分析篩選，最終確定了最佳設計方案（見表1），制定了對策表（見表2）。

對策實施

QC小組依據上述對策表對各個模塊進行了實施。

高精度溫度采集與標定模塊實施。小組成員編制鉑電阻加工技術要求，明確四線制鉑電阻要求，并對鉑電阻進行驗收，所有鉑電阻精度均優(yōu)于0.03℃。

小組成員編制鉑電阻溫度采集電路技術要求，明確了700uA恒流源及允許偏差、16位A/D轉換等關鍵項目要求，全程參與裝調過程，確保電路設計、元器件規(guī)格等符合要求。

小組開展單板測溫試驗和誤差修正驗證試驗，結果表明：恒流源電流700±1uA，偏差0.15%；測溫分辨率優(yōu)于0.01℃，均滿足要求；采用“標準通道+算法修正”方法，測溫精度、穩(wěn)定性偏差均≤0.03℃，優(yōu)于±0.05℃，滿足要求。

自適應控制理論與算法模塊實施。小組制定了神經網絡PID算法流程，并基于控制對象Matlab動態(tài)模型，利用單純型ITSE法獲得了整定后初始參數(shù)范圍：Kp=1.4～1.6，Ki=0.03～0.05。為進一步提高參數(shù)選擇精度，減小超調量并縮短響應時間，小組通過正交試驗確定最優(yōu)解：Kp=1.6、Ki=0.03。

表1 最佳方案

表2 對策表

小組隨后開展了軟件對接測試，控制對象初始溫度約0℃，控溫目標為20℃。測試表明：控溫精度優(yōu)于±0.1℃，控溫初始超調0.33℃，響應時間約20min（6000采樣序列）。

高精細化輸出控制模塊實施。QC小組成員編制輸出電路技術要求，明確PWM控制量采用500Hz輸出頻率，開關控制元件采用MOS管，PWM控制周期內均衡分布要求。小組進行了輸出模塊單板電測以驗證輸出頻率。結果表明：模塊中PWM輸出頻率為500Hz。小組利用示波器對輸出模塊PWM分布波形進行了測試，PWM在控制周期內完全均勻分布，平均度100%。

效果檢查

圖1 控溫對象溫度結果控制圖

小組根據對策表完成了3個模塊的研制及驗證，通過系統(tǒng)集成得到精密控溫原理樣機，搭建了星敏精密控溫試驗系統(tǒng)，開展了專項真空熱試驗，依據衛(wèi)星在軌條件進行了轉移軌道、春秋分、夏至等試驗工況，全面考核精密控溫系統(tǒng)性能。由試驗結果控制圖（見圖1）可知，除在控制起始階段（40min內）僅有的個別點外，其余試驗期間內溫度在20±0.03℃范圍內。說明精密控溫系統(tǒng)可靠性高，抗干擾能力強。

對課題目標（±0.1℃）進行過程能力分析，過程能力指數(shù)Cp=(TUTL)/6S=5.13，過程能力富余較多。如按當前國際最先進水平±0.03℃計算Cp=1.71＞1.67，過程能力仍富余。

至此，小組成員通過密切協(xié)作，本次QC課題目標圓滿完成！

效益分析

經核算，本次QC活動共花費15.4萬元。所研制的精密控溫裝置，控溫達到國際先進水平，可廣泛應用于高精度遙感衛(wèi)星平臺及載荷，具有巨大的直接和間接效益。

通過本次QC活動，小組成員在質量意識、創(chuàng)新意識、技術能力、QC知識、團隊精神和工作熱情等方面都有了不同程度的提高。

標準化

本次QC課題活動總計形成分析論證報告、設計報告、試驗報告等技術文件15份，發(fā)表研究論文兩篇，申請相關專利一篇。

（作者單位：上海衛(wèi)星工程研究所）