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        一種控制系統(tǒng)故障處理中的互斥設(shè)計(jì)方法

        2021-04-25 06:41:44吳培亞陳志華周中澤李光旭
        關(guān)鍵詞:推力器航天器時(shí)序

        王 裙,吳培亞,陳志華,周中澤,李光旭

        北京控制工程研究所,北京 100190

        0 引 言

        隨著航天器控制系統(tǒng)故障診斷和容錯(cuò)技術(shù)的不斷發(fā)展,針對(duì)各敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的已知故障、未知故障,基于解析模型、知識(shí)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等的故障診斷與處理算法在不斷更新[1-4],算法數(shù)量在增加.故障診斷算法數(shù)量的增加,能更好地為控制系統(tǒng)保駕護(hù)航的同時(shí),也帶來了多種故障診斷交叉耦合觸發(fā)的情況,導(dǎo)致故障診斷和處理變得復(fù)雜.

        推力器是航天器控制系統(tǒng)重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu),是保證航天器正常工作的關(guān)鍵部件,一般在硬件上采用冗余備份[5]設(shè)計(jì)來保證系統(tǒng)的可靠性.推力器有兩類常見故障:推力損失和推進(jìn)劑泄漏,故障處理均為切換到備份[5].使用故障的推力器會(huì)對(duì)航天器的穩(wěn)定運(yùn)行、安全和壽命造成嚴(yán)重后果[6-8].

        本文以控制系統(tǒng)故障診斷與處理中的推力器切換為研究對(duì)象,分析了多種故障交叉耦合觸發(fā)和處理可能導(dǎo)致的推力器切換錯(cuò)誤甚至航天器失控的情況,并提出了一種軟件互斥設(shè)計(jì)方法,能有效解決故障交叉耦合觸發(fā)的互斥處理問題,為后續(xù)航天器故障診斷與處理設(shè)計(jì)提供參考.

        1 故障診斷與處理簡介

        1.1 故障診斷類型與處理原則

        控制系統(tǒng)中故障分為兩大類:部件級(jí)故障、系統(tǒng)級(jí)故障.部件級(jí)故障是指能夠快速將故障定位到明確部件的故障模式,包含敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障情況.部件級(jí)故障通常是通過部件自身狀態(tài)異?;驇追N不同類型部件之間多方比對(duì)診斷出來.系統(tǒng)級(jí)故障是指系統(tǒng)指標(biāo)出現(xiàn)超差或系統(tǒng)出現(xiàn)無法準(zhǔn)確定位到明確部件的故障.系統(tǒng)級(jí)故障中的系統(tǒng)指標(biāo)一般為航天器姿態(tài)、角速度、噴氣量等,在惡劣情況下,多種系統(tǒng)級(jí)故障類型會(huì)交叉觸發(fā).系統(tǒng)級(jí)故障檢測保證在部件診斷出現(xiàn)漏診或者誤診情況下的系統(tǒng)安全.

        故障處理原則為切換當(dāng)前的敏感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu),分為主備份部件之間切換、高精度向低精度部件切換,即盡量切除當(dāng)前使用的部件,進(jìn)行統(tǒng)一的系統(tǒng)異構(gòu).例如,推力器本身故障造成的故障處理為推力器由主份切換為備份.以姿態(tài)角或角速度為系統(tǒng)指標(biāo)的系統(tǒng)級(jí)故障處理,如果當(dāng)前處于動(dòng)量輪作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制模式運(yùn)行,則切換為使用推力器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制模式運(yùn)行;如果當(dāng)前處于推力器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制模式運(yùn)行,則推力器由主份切換為備份.以噴氣量為系統(tǒng)指標(biāo)的系統(tǒng)級(jí)故障處理,如果推力器切換過一次之后,故障仍未停止,則直接??兀搓P(guān)閉所有推力器的自鎖閥.

        1.2 推力器切換流程

        推力器作為航天器控制系統(tǒng)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu),無論是因推力器本身部件故障觸發(fā)的故障診斷,還是因系統(tǒng)指標(biāo)異常觸發(fā)的故障診斷,對(duì)應(yīng)的故障處理中均涉及到推力器切換.

        切換推力器涉及到開關(guān)自鎖閥和開關(guān)電源,開關(guān)自鎖閥前提條件是推力器電源狀態(tài)為開.因此,在關(guān)閉推力器電源之前,應(yīng)先關(guān)閉推力器自鎖閥;在開推力器電源之后,再開推力器自鎖閥.基于推力器本身的部件特性,推力器切換操作需要多個(gè)控制周期操作才能執(zhí)行完畢,具體執(zhí)行流程如表1示例.

        表1 推力器切換流程Tab.1 Thruster switching process

        表1示例中,航天器搭載的推力器有A、B兩份,Ts代表控制周期,一般為幾十至幾百毫秒.第20Ts開啟哪份推力器的具體邏輯依航天器方案設(shè)計(jì)不同而不同.可見推力器的切換操作需要多步驟才能完成,每步操作依據(jù)均為上一步驟的操作結(jié)果,總共需要消耗35個(gè)軟件控制周期才能徹底完成.

        通常來說,在航天器控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中,每種類型的故障診斷方法均設(shè)置相應(yīng)的故障診斷允許標(biāo)志CW和故障告警標(biāo)志W(wǎng),在故障診斷允許標(biāo)志CW=1的情況下,才進(jìn)行故障診斷,當(dāng)診斷出故障時(shí),會(huì)置故障告警標(biāo)志W(wǎng)=1.在故障診斷允許標(biāo)志CW=1且故障告警標(biāo)志W(wǎng)=1的情況下,才進(jìn)行相應(yīng)的故障處理.以推力器切換為例,故障處理調(diào)用關(guān)系如圖1所示.

        隨著對(duì)航天器在軌故障問題的舉一反三以及控制系統(tǒng)可靠性、健壯性要求的不斷提高,航天器控制系統(tǒng)故障診斷算法也隨之不斷更新和增加,導(dǎo)致涉及推力器切換操作的故障類型不再是一種,而是多種,且多種類型故障可能同時(shí)觸發(fā).當(dāng)多種故障交叉耦合觸發(fā)和處理時(shí),如圖1所示的軟件設(shè)計(jì)方法存在著推力器切換時(shí)序沖突和推力器切換錯(cuò)誤的問題.

        圖1 推力器切換調(diào)用關(guān)系圖Fig.1 Call relationship of thruster switching process

        2 系統(tǒng)級(jí)故障處理耦合分析

        推力器切換操作對(duì)控制系統(tǒng)而言是個(gè)重要操作,需要多個(gè)控制周期才能完成,一旦開始執(zhí)行,必須保證不被打斷地執(zhí)行完成,否則將造成推力器切換錯(cuò)誤、整星異常??氐膰?yán)重影響.

        以姿態(tài)角過大、角速度過大、噴氣量異常等為判斷指標(biāo)的系統(tǒng)級(jí)故障,當(dāng)星上出現(xiàn)某種異常情況時(shí),會(huì)導(dǎo)致兩種甚至多種系統(tǒng)級(jí)故障同時(shí)觸發(fā)或短期內(nèi)先后觸發(fā),即可能存在圖2~4所示的故障觸發(fā)時(shí)序.

        圖2中,當(dāng)星上某種故障原因?qū)е鹿收?發(fā)生,故障1對(duì)應(yīng)的軟件處理是推力器切換.在推力器切換第10Ts~20Ts中,又發(fā)生了故障2,故障2對(duì)應(yīng)的軟件處理也是推力器切換.由于此時(shí)故障1處理中已將推力器A和B電源都關(guān)閉,因此故障2推力器切換中保存的推力器電源狀態(tài)錯(cuò)誤,導(dǎo)致故障2推力器切換錯(cuò)誤.

        圖2 推力器切換與其它故障交叉耦合示例1Fig.2 Example 1 of fault disposal triggering during thruster switching

        圖3中,當(dāng)星上某種故障原因?qū)е鹿收?發(fā)生,故障1對(duì)應(yīng)的軟件處理是推力器切換.在推力器切換第1Ts~30Ts中,又發(fā)生了故障2,故障2對(duì)應(yīng)的軟件處理是???關(guān)自鎖閥).由于此時(shí)故障1處理中第30Ts會(huì)將自鎖閥打開,因此故障2處理中的??厥?

        圖3 推力器切換與其它故障交叉耦合示例2Fig.3 Example 2 of fault disposal triggering during thruster switching

        圖4中,當(dāng)星上某種故障原因?qū)е鹿收?發(fā)生,故障1對(duì)應(yīng)的軟件處理是推力器切換.在推力器切換第1Ts~35Ts中,又發(fā)生了故障2,故障2對(duì)應(yīng)的軟件處理是轉(zhuǎn)控制模式.由于轉(zhuǎn)控制模式會(huì)重新初始化故障診斷允許標(biāo)志和故障告警標(biāo)志,導(dǎo)致執(zhí)行一半的推力器切換不再被調(diào)用,即推力器切換中止,最終推力器切換失敗.

        圖4 推力器切換與其它故障交叉耦合示例3Fig.4 Example 3 of fault disposal triggering during thruster switching

        由分析可知,在進(jìn)行推力器切換過程中,可能存在切換錯(cuò)誤、未執(zhí)行完異常終止、??貓?zhí)行失敗的時(shí)序沖突:

        1)若先后在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生兩次推力器切換,會(huì)導(dǎo)致切換時(shí)序錯(cuò)亂;

        2)若推力器切換未結(jié)束,又發(fā)生了停控,則??厥?;

        3)若推力器切換未結(jié)束,又發(fā)生了轉(zhuǎn)控制模式,則推力器切換異常終止.

        4)若短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了三種及以上的故障,則時(shí)序分析更加復(fù)雜.

        3 故障處理中的軟件互斥設(shè)計(jì)

        本節(jié)提出了一種故障處理中的軟件互斥設(shè)計(jì),解決故障交叉耦合觸發(fā)和處理引起的時(shí)序沖突問題.

        推力器切換需要多個(gè)控制周期才能完成,在這過程中不能被打斷.軟件設(shè)計(jì)要解決的三個(gè)難點(diǎn)問題:

        (一)兩次推力器切換短時(shí)間內(nèi)先后發(fā)生,導(dǎo)致切換錯(cuò)誤;

        (二)推力器切換過程中又發(fā)生了???,導(dǎo)致停控失??;

        (三)推力器切換被異常終止.

        為解決問題(一),軟件設(shè)計(jì)如下:(1)把推力器切換流程操作,單獨(dú)封裝,對(duì)外提供接口S、t,S=1表示在正在進(jìn)行推力器切換流程,S=0表示不在進(jìn)行推力器切換流程,t為推力器切換程控計(jì)數(shù).(2)在故障處理中進(jìn)行推力器切換時(shí),操作S、t值即可.

        推力器切換處理封裝模塊見圖5,當(dāng)S≠1時(shí),不執(zhí)行切換處理流程;當(dāng)S==1時(shí),t++時(shí),當(dāng)t==1執(zhí)行推力器切換步驟1,當(dāng)t==10執(zhí)行推力器切換步驟2,當(dāng)t==20執(zhí)行推力器切換步驟3,當(dāng)t==30執(zhí)行推力器切換步驟4,當(dāng)t==35執(zhí)行推力器切換步驟5,并置S=0,即退出推力器切換處理流程.

        圖5 推力器切換處理模塊流程圖Fig.5 Flow chart of thruster switching process

        故障處理中進(jìn)行推力器切換調(diào)用設(shè)計(jì)如圖6,當(dāng)S==0時(shí),置S=1,t=0,滿足推力器切換模塊執(zhí)行條件,當(dāng)S≠0時(shí),不進(jìn)行處理,即不會(huì)在推力器切換未結(jié)束時(shí)又開啟新的推力器切換.

        圖6 推力器切換程控的調(diào)用流程圖Fig.6 Scheme of thruster switching process

        為解決問題(二),軟件設(shè)計(jì)如圖7,需在無推力器切換時(shí)或等待推力器切換完成后進(jìn)行??靥幚恚串?dāng)S==0時(shí),才進(jìn)行停控處理.

        圖7 ??靥幚淼恼{(diào)用流程圖Fig.7 Scheme of stop control dispose

        為解決問題(三),軟件設(shè)計(jì)為,把推力器切換模塊,獨(dú)立于模式控制和故障診斷與處理,每個(gè)軟件控制周期都能被調(diào)用.推力器切換流程一旦被調(diào)用,無論故障診斷允許標(biāo)志、故障告警標(biāo)志是否變化,推力器切換程控都能被執(zhí)行完成.

        圖5~7所示的軟件互斥設(shè)計(jì),將推力器切換模塊,獨(dú)立于模式控制和故障診斷與處理,推力器切換流程一旦啟動(dòng),則不受控制模式轉(zhuǎn)換的影響,不會(huì)被打斷.在推力器切換過程中置S=1,在所有涉及到推力器切換相關(guān)的故障處理中先判斷S的值,當(dāng)S=1時(shí),則說明當(dāng)前有推力器切換,不再重復(fù)執(zhí)行推力器切換,可保證推力器切換正確.

        4 測試驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證軟件故障處理中的互斥設(shè)計(jì)的正確性,設(shè)計(jì)了惡劣工況,進(jìn)行多故障交叉觸發(fā)的測試驗(yàn)證,驗(yàn)證內(nèi)容包括:

        (1)測試兩種故障先后在35Ts時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生,并且對(duì)應(yīng)故障處理均為推力器切換,是否切換正常.

        (2)測試兩種故障先后在35Ts時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生,其中一種故障對(duì)應(yīng)故障處理是推力器切換,另一種故障對(duì)應(yīng)故障處理是停控,??厥欠癯晒?

        (3)測試兩種故障先后在35Ts時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生,其中一種故障對(duì)應(yīng)故障處理是推力器切換,另一種故障對(duì)應(yīng)故障處理是轉(zhuǎn)模式,推力器切換是否正常.

        (4)測試四種故障先后在35Ts時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生,其中有兩種故障對(duì)應(yīng)故障處理是推力器切換,另兩種故障對(duì)應(yīng)故障處理分別是??睾娃D(zhuǎn)模式,推力器切換是否正常,停控是否成功.

        測試過程中,通過精細(xì)化故障注入模型設(shè)計(jì),模擬在軌航天器故障情況.測試結(jié)果表明,短期內(nèi)多故障交叉觸發(fā),推力器切換正常,??爻晒?軟件互斥設(shè)計(jì)解決了交叉耦合觸發(fā)帶來的故障處理時(shí)序沖突問題.

        5 結(jié) 論

        本文研究了一種控制系統(tǒng)故障處理中的互斥設(shè)計(jì)方法.基于航天器控制系統(tǒng)故障診斷算法復(fù)雜、多種故障診斷交叉耦合觸發(fā)的趨勢,該設(shè)計(jì)方法能有效解決交叉耦合觸發(fā)帶來的故障處理時(shí)序沖突問題,為后續(xù)航天器控制系統(tǒng)故障診斷及處理設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ).

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