汪新舜，吳星云，沈 輝，侍 尉，陳延龍

(1.上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240；2.上海裕達(dá)實(shí)業(yè)有限公司，上海 200240)

0 引言

為了模擬航天器在外太空環(huán)境中，表面接收的動(dòng)態(tài)外熱流，在地面環(huán)境模擬裝備中實(shí)施真空熱試驗(yàn)不可或缺。目前國(guó)內(nèi)外主要采用的是紅外熱流模擬方法，即采用程控直流電源給加熱裝置供電，通過(guò)測(cè)溫設(shè)備實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度，使用控制策略智能調(diào)節(jié)電流來(lái)模擬空間外熱流[1-3]。對(duì)于飛行任務(wù)復(fù)雜、飛行周期長(zhǎng)、航天器內(nèi)部或者外部熱流變化大且溫控要求高的航天器，必須在地面進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)真空外熱流模擬試驗(yàn)驗(yàn)證功能。隨著國(guó)外對(duì)軍工單位的進(jìn)口限制和國(guó)產(chǎn)儀器設(shè)備的迅速發(fā)展，在原有的測(cè)控系統(tǒng)中集成國(guó)產(chǎn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的需求越來(lái)越多，不僅可以降低成本，還可以推動(dòng)國(guó)內(nèi)儀器技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展創(chuàng)新。

真空外熱流試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)一般由真空容器、被測(cè)航天部組件、溫度傳感器、加熱片或者加熱燈陣、溫度采集儀及程控可編程電源柜組成。測(cè)控系統(tǒng)軟件功能包括：溫度采集設(shè)備的配置、程控直流電源的配置、控制策略列表的配置實(shí)施、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)、試驗(yàn)過(guò)程監(jiān)控、報(bào)警設(shè)置以及故障定位反饋修復(fù)等。

目前的航天器外熱流測(cè)控系統(tǒng)軟件主要存在以下不足：

1)程序框架耦合度較高，并發(fā)性較差，導(dǎo)致控制周期冗長(zhǎng)，控制效果一般；

2)軟件未及時(shí)更新國(guó)產(chǎn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，未模塊化編程，不同設(shè)備型號(hào)混合使用的兼容性一般；

3)缺乏自整定PID模塊，不便于處理航天器熱試驗(yàn)過(guò)程中存在的非線性、參數(shù)時(shí)變性和模型不確定性問(wèn)題；

4)試驗(yàn)的溫度采集配置、電源工況配置、數(shù)據(jù)查看和測(cè)控任務(wù)執(zhí)行平臺(tái)分散，導(dǎo)致程序的整體性較差，不便于試驗(yàn)人員操作；

5)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和交互方式落后，限制了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的文件大小，不利于高速數(shù)據(jù)的處理；

6)故障代碼不夠全面，難以精確定位故障位置，未對(duì)故障發(fā)生的信息進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，缺乏自動(dòng)恢復(fù)機(jī)制。

為了解決以上問(wèn)題，根據(jù)航天某院真空熱試驗(yàn)任務(wù)要求，開(kāi)發(fā)了一種基于虛擬儀器的航天器真空熱試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)?；贚XI總線集成了數(shù)字萬(wàn)用表、矩陣開(kāi)關(guān)模塊和國(guó)產(chǎn)程控可編程電源等，在LabVIEW平臺(tái)下開(kāi)發(fā)測(cè)控軟件，對(duì)軟件框架進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，功能模塊化編程；使用ActiveX等控件整合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)配置測(cè)控一體化；兼容國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口程控電源控制驅(qū)動(dòng)；使用TDMS高速二進(jìn)制文件存讀數(shù)據(jù)；新增自整定PID控制算法和故障自動(dòng)定位恢復(fù)機(jī)制，具有效率高、控制精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 測(cè)試需求

航天器真空外熱流測(cè)控系統(tǒng)的參數(shù)及要求如表1所示。

表1 測(cè)控需求表

測(cè)控系統(tǒng)主要任務(wù)包括熱電偶溫度采集與控制策略列表執(zhí)行。熱電偶溫度采集時(shí)，需將熱電偶測(cè)量端貼至被動(dòng)元件表面，參考端插入電子冰瓶中，熱電偶兩端連接至矩陣開(kāi)關(guān)板卡，板卡插入數(shù)字萬(wàn)用表，軟件遠(yuǎn)程配置采集溫度；控制策略列表執(zhí)行時(shí)，電源輸出端連接加熱片，加熱片貼在被動(dòng)元件表面，編輯多個(gè)閉環(huán)開(kāi)關(guān)開(kāi)環(huán)控制工況和對(duì)應(yīng)執(zhí)行時(shí)間，形成工況列表，軟件加載自動(dòng)化切換控制模式，同時(shí)系統(tǒng)還具備試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示和故障報(bào)警自動(dòng)修復(fù)功能等。

2 系統(tǒng)硬件及原理設(shè)計(jì)

虛擬儀器技術(shù)是一種利用高性能模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用技術(shù)，具有開(kāi)發(fā)周期短、通用程度高和部署方便靈活等優(yōu)勢(shì)[4-7]。

航天器真空外熱流測(cè)控系統(tǒng)基于LXI工業(yè)總線開(kāi)發(fā)，LXI總線是一種功能接口標(biāo)準(zhǔn)，定義了基于以太網(wǎng)802.3標(biāo)準(zhǔn)的接口技術(shù)，確保了儀器間的互通性，融合了其他儀器的高性能、體積小及高速吞吐率等特點(diǎn)，是新一代測(cè)控系統(tǒng)模塊化框架平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)[8]。

系統(tǒng)硬件集成了真空容器、被測(cè)航天器部組件、溫度傳感器、加熱片或者加熱燈陣、溫度采集儀及程控可編程電源柜等，通過(guò)繼電器開(kāi)關(guān)動(dòng)作切換熱控回路不同接入點(diǎn)至數(shù)字萬(wàn)用表ADC模塊測(cè)量熱電偶溫度，程控電源柜根據(jù)控制策略輸出功率。設(shè)計(jì)時(shí)，選用KEITHLEY-2701數(shù)字萬(wàn)用表，六位半(22位)精度，500通道/秒的掃描速率，搭載KEITHLEY-7708開(kāi)關(guān)板卡，提供40個(gè)兩極通道或20個(gè)四極通道的多選切換功能，可以配置為兩組相互獨(dú)立的多路復(fù)用器，支持熱電偶、RTD和熱敏電阻溫度傳感器。當(dāng)試驗(yàn)熱電偶需配備多個(gè)通道時(shí)，可以將多臺(tái)KEITHLEY-2701數(shù)字萬(wàn)用表通過(guò)LXI協(xié)議接入交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)；選擇國(guó)產(chǎn)大華DH1766-1三通道和DH1790-7單通道輸出精密型可編程直流電源，紋波有效值低于1 mV，峰峰值低于6 mV。DH1766-1有3個(gè)通道，分別支持32 V/3 A/96 W、32 V/3 A/96 W和6 V/3 A/18 W，DH1790-7單通道，支持160 V/7.5 A/360 W，集成了14臺(tái)DH1766-1和10臺(tái)DH1790-7，共52個(gè)通道。

試驗(yàn)人員在搭建熱電偶采集回路時(shí)，采用外部電子冰瓶產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)0℃作為外部補(bǔ)償，將板卡通道CH1到CH40的H端分別與Y2-50ZJM插頭1～40芯相連，L端短接后與插頭49～50芯連接，通過(guò)罐體法蘭盤(pán)連接至罐內(nèi)熱電偶銅導(dǎo)線，熱電偶正負(fù)極短接成為測(cè)量點(diǎn)，緊貼至被測(cè)部件表面，插頭的49～50芯銅導(dǎo)線與熱電偶負(fù)極康銅絲通過(guò)CX2-55M通孔針座連接至罐外，短接成為參考點(diǎn)放進(jìn)0 ℃的電子冰瓶中。在搭建電源加熱回路時(shí)，DH1790-1、DH1766-7安裝在程控電源柜中，電源末端連接負(fù)載導(dǎo)線正負(fù)極，通過(guò)轉(zhuǎn)接航空插頭和罐體法蘭盤(pán)，連接至罐內(nèi)加熱裝置。硬件連接如圖1所示，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字萬(wàn)用表、開(kāi)關(guān)板卡、程控電源柜、真空罐體和待測(cè)回路之間的連接。

圖1 硬件連接示意圖

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及功能

測(cè)控系統(tǒng)軟件部分基于LabVIEW開(kāi)發(fā)，它是美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。LabVIEW被稱(chēng)為“G”語(yǔ)言，即圖形化編程語(yǔ)言，其核心是“數(shù)據(jù)流”，通過(guò)數(shù)據(jù)在連線上的流動(dòng)，完成程序流程的控制及功能的實(shí)現(xiàn)[9-11]。

3.1 軟件整體設(shè)計(jì)

真空外熱流測(cè)控系統(tǒng)軟件采用模塊化編程，根據(jù)測(cè)控需求將軟件分為試驗(yàn)登錄、試驗(yàn)配置、試驗(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)過(guò)程、試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及程序維護(hù)等模塊，每個(gè)模塊又分為若干個(gè)小的功能模塊，這樣設(shè)計(jì)既方便調(diào)試和修改，又可靈活配置使用于不同應(yīng)用場(chǎng)景。試驗(yàn)登錄包括用戶權(quán)限管理及進(jìn)入測(cè)控主界面顯示功能；試驗(yàn)配置包括試驗(yàn)信息配置、溫度存儲(chǔ)路徑配置、電壓電流存儲(chǔ)路徑配置、報(bào)警信息存儲(chǔ)路徑配置、遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端配置、測(cè)溫通道配置、控溫通道配置、電源程控配置、加熱回路配置及工況列表配置功能；試驗(yàn)準(zhǔn)備包括測(cè)溫電纜檢查、加熱電纜檢查、加熱片電阻檢測(cè)、熱響應(yīng)試驗(yàn)及PID參數(shù)整定功能；試驗(yàn)過(guò)程包括加載測(cè)溫配置表、采集顯示溫度數(shù)據(jù)、配置開(kāi)啟服務(wù)器、加載工況列表、執(zhí)行控制策略、電壓電流數(shù)據(jù)回讀顯示、過(guò)程數(shù)據(jù)監(jiān)控報(bào)警、故障反饋恢復(fù)策略、工況列表動(dòng)態(tài)修改、執(zhí)行策略動(dòng)態(tài)修改及PID參數(shù)動(dòng)態(tài)修改功能；試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析包括數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)拼接及生成報(bào)表功能；程序維護(hù)包括用戶數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)庫(kù)維護(hù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)、控制策略維護(hù)及試驗(yàn)表單維護(hù)等如圖2所示。

圖2 軟件功能模塊

軟件系統(tǒng)的運(yùn)行模式如圖3所示，試驗(yàn)配置人員、試驗(yàn)準(zhǔn)備人員、試驗(yàn)值班人員、試驗(yàn)監(jiān)控人員、試驗(yàn)故障備份人員及試驗(yàn)系統(tǒng)維護(hù)人員通過(guò)相同的接口使用不同權(quán)限進(jìn)行登錄，利用工業(yè)以太網(wǎng)將熱電偶采集配置表、電源控制策略列表及系統(tǒng)故障備份信息等試驗(yàn)配置信息寫(xiě)入試驗(yàn)數(shù)據(jù)服務(wù)器中心和備用數(shù)據(jù)服務(wù)器中，試驗(yàn)服務(wù)器中心根據(jù)電源控制策略列表將數(shù)據(jù)包通過(guò)LXI通訊協(xié)議分發(fā)至電源控制驅(qū)動(dòng)和數(shù)采控制驅(qū)動(dòng)，設(shè)備接收到指令開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)服務(wù)器中心發(fā)生故障，無(wú)法正常運(yùn)行，啟用服務(wù)器之間的連鎖機(jī)制，備用服務(wù)器自動(dòng)接管試驗(yàn)。同時(shí)配備了試驗(yàn)數(shù)據(jù)查看客戶端，多個(gè)用戶可以同時(shí)從服務(wù)器調(diào)取數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。

圖3 軟件系統(tǒng)運(yùn)行模式

程序使用多線程編程，為了防止數(shù)據(jù)傳遞的丟失及線程耦合產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，重新設(shè)計(jì)了程序框架，使用生產(chǎn)者消費(fèi)者隊(duì)列處理機(jī)制[12]，如圖4所示，在寄存器中開(kāi)辟獨(dú)立棧進(jìn)行事件或數(shù)據(jù)的隊(duì)列出入棧操作，執(zhí)行溫度數(shù)據(jù)高速多通道實(shí)時(shí)采集、程控電源群PID控制、同時(shí)執(zhí)行工況列表定時(shí)加載、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解析以及記錄等一系列事件。實(shí)現(xiàn)了事件線程之間的解耦合，確保了程序的穩(wěn)定性。

圖4 軟件設(shè)計(jì)框架

3.2 繼電反饋式PID自整定

基于繼電反饋?zhàn)哉ǚ椒ㄊ窃诙啻螠y(cè)試實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，逐步獲得系統(tǒng)某一特性參數(shù)。程序不需要對(duì)系統(tǒng)有深入的了解，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)某一特殊地可以觀察的系統(tǒng)特性，微調(diào)試驗(yàn)可以獲得較準(zhǔn)確的系統(tǒng)參數(shù)[13-15]。在控制系統(tǒng)中，有兩種狀態(tài)：測(cè)試狀態(tài)和控制狀態(tài)。在測(cè)試狀態(tài)下，由一個(gè)繼電環(huán)節(jié)來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的振蕩幅值和頻率，獲得系統(tǒng)的頻域信息，構(gòu)建相似的模型結(jié)構(gòu)，采用選定的控制策略獲得系統(tǒng)的控制參數(shù)；在控制狀態(tài)下，使用上一個(gè)測(cè)試狀態(tài)得到的控制參數(shù)運(yùn)行系統(tǒng)。測(cè)試狀態(tài)伴隨著測(cè)試條件的變化而改變，反復(fù)循環(huán)獲得最佳參數(shù)，基于繼電反饋的自整定工作原理圖如圖5所示。

圖5 基于繼電反饋的PID自整定工作原理圖

描述函數(shù)法是最常用的確定臨界增益和臨界頻率的方法之一。該方法利用繼電非線性環(huán)節(jié)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的基波分量關(guān)系來(lái)近似分析的一種有效方法[16]。標(biāo)準(zhǔn)繼電的描述函數(shù)為：

(1)

其中:d為繼電環(huán)節(jié)的幅值，a為振蕩曲線的幅值。假設(shè)G(jω)奈氏曲線與-1/N(a)曲線在負(fù)實(shí)軸處相交，而對(duì)象的奈氏曲線與描述函數(shù)的負(fù)倒數(shù)曲線的交點(diǎn)稱(chēng)為臨界點(diǎn)，定義對(duì)象的臨界點(diǎn)頻率為ωμ如下：

arg{G(jω)}=-π

(2)

因此我們可以估計(jì)振蕩周期Tμ和臨界增益Kμ:

(3)

(4)

使用Z-N公式作為整定規(guī)則，Z-N整定規(guī)則在控制工程實(shí)踐中有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)于P、PI和PID控制器的設(shè)定如表2所示。

表2 Z-N的PID參數(shù)整定公式

在測(cè)試狀態(tài)的循環(huán)中，程序?qū)Σ杉降谋豢剡^(guò)程量進(jìn)行標(biāo)度變換，與設(shè)定值進(jìn)行比較，使用Z-N規(guī)則自整定，如果被控過(guò)程輸出量小于設(shè)定值，則繼電器導(dǎo)通狀態(tài)輸出的控制量電壓幅值為M；反之，如果被控過(guò)程輸出量小于設(shè)定值，則繼電器導(dǎo)通狀態(tài)輸出的控制量電壓幅值為m。將控制量轉(zhuǎn)換為PWM波，M的占空比為100%，m的占空比為0%，使用模擬量輸出進(jìn)行自整定，由環(huán)振蕩曲線計(jì)算出對(duì)象的振蕩周期Tμ和臨界增益Kμ，程序依據(jù)表格2的Z-N臨界比例度整定公式計(jì)算出PID參數(shù)。在控制狀態(tài)的循環(huán)中，使用整定出的控制參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)控制。多次反復(fù)以上循環(huán)，獲得最終自整定參數(shù)，模塊的前面板和程序框圖如圖6所示。

圖6 基于繼電反饋的自整定PID前面板和程序框圖

基于繼電反饋的PID自整定控制器具備較好的魯棒性，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于，測(cè)試過(guò)程不需要任何信號(hào)發(fā)生設(shè)備，系統(tǒng)產(chǎn)生的振蕩是非線性系統(tǒng)的內(nèi)部特征；整定過(guò)程在閉環(huán)中進(jìn)行，系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)，克服系統(tǒng)非線性對(duì)參數(shù)整定的影響，但是對(duì)于純滯后的低階系統(tǒng)，整定后的參數(shù)偏差較大[17]，其缺點(diǎn)如下：

1)對(duì)于純滯后較大的系統(tǒng)，繼電整定后的系統(tǒng)幅值裕度不夠，出現(xiàn)較大的振蕩；

2)對(duì)于小滯后或?qū)ο箅A次較低的情況，臨界頻率太高，校正后的系統(tǒng)帶寬過(guò)大；

3)無(wú)法單獨(dú)整定積分和微分時(shí)間。

在航天器外熱流實(shí)驗(yàn)中，該方法不適合加熱籠熱傳導(dǎo)式的PID自整定，適用于貼片式熱傳遞PID自整定。

3.3 模糊規(guī)則PID自整定

模糊控制對(duì)數(shù)學(xué)模型的依賴性弱，不需要建立過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型，模糊PID控制是結(jié)合模糊規(guī)則與PID的一種控制方式，利用模糊邏輯并根據(jù)一定的模糊規(guī)則對(duì)PID的比例、積分和微分系數(shù)實(shí)施優(yōu)化以達(dá)到理想的控制效果[18]，模糊PID的控制原理圖如圖7所示。

圖7 模糊PID控制原理圖

模糊控制是兩輸入三輸出的控制器，以誤差E和誤差變化率Ec為輸入，以PID的參數(shù)修正值ΔKP、ΔKI和ΔKD為輸出。規(guī)定誤差E和誤差變化率Ec的實(shí)際變化范圍即基本論域[Emin,Emax]和[Ecmin,Ecmax],取量化因子GE，將誤差離散化為N檔：

(5)

誤差所取的模糊集合為[-N,-N+1, …,0, …N-1,N]，即ei=EiGE。同理對(duì)Ec進(jìn)行模糊化處理。對(duì)于模糊控制輸出的模糊集合，通過(guò)比例因子Gu，將實(shí)際輸出映射至基本論域[-u,u]，即ui=UiGu。采用的模糊論域?yàn)閇NB(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)]，7個(gè)模糊語(yǔ)言變量。模糊言語(yǔ)值是通過(guò)隸屬函數(shù)來(lái)描述的，工程上常采用三角隸屬函數(shù)、S型隸屬函數(shù)、Z型隸屬函數(shù)和高斯隸屬函數(shù)等作為隸屬函數(shù)。使用LabVIEW提供的模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)器，設(shè)置三角隸屬函數(shù)界面如圖8所示。

圖8 三角隸屬函數(shù)設(shè)置界面

獲得E和Ec的隸屬度值后，建立針對(duì)模糊控制輸出ΔKP、ΔKI和ΔKD的量化模糊控制規(guī)則表，獲得隸屬值后，選擇適當(dāng)?shù)慕饽：惴ㄟM(jìn)行運(yùn)算，常用的解模糊方法有：最大隸屬度法和加權(quán)平均法(重心法)等[19]，使用重心法計(jì)算各輸出的量化值，其公式如下：

(6)

其中:M為隸屬度，F(xiàn)為模糊量化值，由于隸屬函數(shù)的特性，在任意方向上的隸屬度之和為1，所以每一個(gè)對(duì)象的計(jì)算等同于矩陣計(jì)算，公式如下：

(7)

結(jié)合量化系數(shù)Gu得到最終K值，公式如下：

Kn=Kn-1+ΔK×Gu

(8)

以溫差和誤差變化率作為二維輸入，ΔKP、ΔKI和ΔKD的增量作為三維輸出，根據(jù)溫度控制精度要求，自定義基本論域，添加隸屬函數(shù)，生成多條模糊規(guī)則，程序提供5種去模糊化方法：面積中心、改進(jìn)面積中心、中心、最大值中心和最大值平均，用戶根據(jù)需求自行選擇。譬如取溫度誤差變化率為0.005 ℃，溫度誤差為0.2 ℃，通過(guò)上述操作，得到ΔKP的增量為-0.000 702 895，同理可以得到ΔKI、ΔKD的增量。使用模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)器生成以fs為后綴的二進(jìn)制文件，作為模糊控制系統(tǒng)的模糊規(guī)則輸入文件，對(duì)文件進(jìn)行系統(tǒng)仿真測(cè)試，LabVIEW加載文件進(jìn)行PID參數(shù)自整定，仿真界面和程序框圖如圖9所示。

圖9 仿真界面及程序框圖

3.4 故障自動(dòng)修復(fù)機(jī)制

軟件的工作及故障修復(fù)機(jī)制流程圖如圖10所示，硬件設(shè)備在試驗(yàn)的過(guò)程中，由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行出現(xiàn)故障，不及時(shí)修復(fù)會(huì)對(duì)航天器部組件產(chǎn)生不可估計(jì)的損壞，尤其是在高溫工況加熱階段，上位機(jī)失去對(duì)電源的控制，會(huì)出現(xiàn)試驗(yàn)對(duì)象被燒毀的現(xiàn)象。新增的故障修復(fù)機(jī)制根據(jù)經(jīng)常發(fā)生的故障類(lèi)型編制，故障類(lèi)型分為儀器通訊失聯(lián)和儀器元器件損壞兩類(lèi)，儀器通訊失聯(lián)，假設(shè)是由儀器通訊模塊穩(wěn)定性造成的，啟用自動(dòng)重連機(jī)制，重連成功后繼續(xù)試驗(yàn)；假設(shè)儀器已損壞，配備了可替換的硬件設(shè)備，自動(dòng)切換至備用設(shè)備繼續(xù)試驗(yàn)，保證了試驗(yàn)運(yùn)行的安全性和連續(xù)性。

圖10 軟件故障修復(fù)機(jī)制流程圖

3.5 試驗(yàn)配置

試驗(yàn)系統(tǒng)的用戶信息存儲(chǔ)在服務(wù)器數(shù)據(jù)中心，使用SQL語(yǔ)言訪問(wèn)進(jìn)行增刪改查，在試驗(yàn)登錄界面輸入用戶名和密碼信息，程序自動(dòng)比對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)，提供系統(tǒng)最后登錄時(shí)間、用戶權(quán)限和登錄次數(shù)等信息。用戶權(quán)限分為管理員、操作員和觀察員兩種，管理員擁有用戶管理的權(quán)限，即用戶、密碼及使用權(quán)限更改；操作員可以使用試驗(yàn)程序，無(wú)用戶管理權(quán)限；觀察員只能登陸查看試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示界面，無(wú)用戶管理權(quán)限，無(wú)操作權(quán)限。

對(duì)于溫度采集配置，用戶需輸入待測(cè)溫度點(diǎn)名稱(chēng)、傳感器類(lèi)型、上下限報(bào)警值和受控電源名稱(chēng)，選擇是否作為控制反饋點(diǎn)。對(duì)于電源控制配置，需編輯執(zhí)行工況和工況列表。在執(zhí)行工況中，寫(xiě)入電源個(gè)數(shù)、電源類(lèi)型、控制方式、跟隨電源、電源名稱(chēng)、電源地址、限定電流、設(shè)定電流、設(shè)定溫度、上限溫度及下限溫度，其中電源類(lèi)型包括國(guó)產(chǎn)大華DH1790-7、DH1766-1和安捷倫N5750等，控制方式包括開(kāi)環(huán)、開(kāi)關(guān)、閉環(huán)和自整定控制。在工況列表中，設(shè)定多個(gè)工況的執(zhí)行時(shí)間，形成列表，加載至程序中，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間工況自動(dòng)切換的效果。所有的配置文件均以EXCEL形式編輯存儲(chǔ)。在存儲(chǔ)文件配置界面中，輸入試驗(yàn)名稱(chēng)信息，生成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件夾中，生成3個(gè)數(shù)據(jù)文件，分別用來(lái)存儲(chǔ)溫度、電壓電流和故障報(bào)警信息。

對(duì)于試驗(yàn)備用設(shè)備配置，遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端在另外一臺(tái)上位機(jī)上開(kāi)啟，配置IP地址和端口號(hào)，用來(lái)與試驗(yàn)控制上位機(jī)進(jìn)行通訊，試驗(yàn)控制上位機(jī)一旦出現(xiàn)異常，丟失了與遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端的連接，遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端從數(shù)據(jù)服務(wù)器中心獲取加載試驗(yàn)配置信息，切換為試驗(yàn)控制上位機(jī)，接管試驗(yàn)；配置備用的數(shù)據(jù)采集儀和程控電源的IP地址，當(dāng)原有的設(shè)備發(fā)生故障無(wú)法重連，程序自動(dòng)切換使用備用設(shè)備的IP地址進(jìn)行試驗(yàn)。

3.6 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)準(zhǔn)備需要進(jìn)行測(cè)溫電纜的檢查，測(cè)溫電纜一端連接熱電偶或者PT100，另外一段通過(guò)真空法蘭盤(pán)接到罐外，使用萬(wàn)用表依次測(cè)量熱電偶導(dǎo)通或者PT100阻值檢查是否正常。加熱電纜一端連接加熱片或者紅外燈籠，另外一段通過(guò)真空法蘭盤(pán)接到罐外，使用萬(wàn)用表依次測(cè)量加熱元器件的阻值檢查是否正常。對(duì)于熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，對(duì)控溫速率及精度要求較高的航天組件，可以使用自整定PID模塊，提供了階躍開(kāi)環(huán)，階躍閉環(huán)，繼電器及模糊規(guī)則PID自整定控制策略，在試驗(yàn)開(kāi)始前獲得整定的PID參數(shù)。

正式的真空外熱流試驗(yàn)開(kāi)始前進(jìn)行熱響應(yīng)試驗(yàn)，使用單臺(tái)電源加熱回路測(cè)試模塊，根據(jù)試驗(yàn)配置表，依次對(duì)程控電源做輸入電流指令操作，檢測(cè)通訊是否正常，通過(guò)加熱反饋溫度，檢測(cè)加熱片性能是否正常。

在試驗(yàn)工況執(zhí)行界面中，向用戶提供了電源控制界面、溫度數(shù)據(jù)顯示、電源實(shí)時(shí)曲線顯示和故障報(bào)警信息4個(gè)選項(xiàng)卡。打開(kāi)溫度數(shù)據(jù)顯示選項(xiàng)卡，加載熱電偶配置EXCEL，開(kāi)始采集溫度，數(shù)據(jù)顯示在曲線圖中，由于數(shù)據(jù)量龐大，每一個(gè)小時(shí)分割存儲(chǔ)，可使用提供的回看軟件進(jìn)行拼接顯示。打開(kāi)電源控制界面，加載工況列表，程序自動(dòng)比對(duì)時(shí)間開(kāi)始試驗(yàn)，電源控制界面如圖11所示。在電源實(shí)時(shí)曲線顯示界面中，查看電源的電壓電流實(shí)時(shí)輸出曲線。用戶可以在故障報(bào)警信息界面中，查看上位機(jī)、電源、數(shù)采故障和溫度上下限報(bào)警信息。在試驗(yàn)執(zhí)行的過(guò)程中，用戶根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)靈活地修改工況列表，同時(shí)登錄多個(gè)試驗(yàn)監(jiān)控客戶端從服務(wù)器中心調(diào)取瀏覽實(shí)時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖11 程序控制界面

3.7 數(shù)據(jù)管理及軟件維護(hù)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分為EXCEL配置文件和TDMS存儲(chǔ)文件。TDMS是一種二進(jìn)制記錄文件，兼顧了高速易存儲(chǔ)等優(yōu)勢(shì)，其寫(xiě)入文件的速度可以達(dá)到600 M/S,廣泛應(yīng)用在測(cè)量測(cè)控行業(yè)[20]。數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在服務(wù)器中心備份，在試驗(yàn)過(guò)程中，用戶可靈活地對(duì)配置文件進(jìn)行修改，對(duì)存儲(chǔ)文件讀取查看。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)文件夾中生成了溫度、電源電壓電流和報(bào)警記錄數(shù)據(jù)，以試驗(yàn)信息命名，TDMS格式保存，試驗(yàn)數(shù)據(jù)每一個(gè)小時(shí)分割存儲(chǔ)，使用提供的歷史數(shù)據(jù)拼接回看程序，如圖12所示，加載數(shù)據(jù)文件夾，選擇需要查看的數(shù)據(jù)，按照時(shí)間順序依次添加至數(shù)據(jù)列表中，拼接顯示在曲線圖中。軟件使用ActiveX控件調(diào)用WORD，一鍵生成試驗(yàn)報(bào)告。ActiveX是Microsoft對(duì)于一系列策略性面向?qū)ο蟪绦蚣夹g(shù)和工具的稱(chēng)呼[21]。在報(bào)告中包括工況執(zhí)行，開(kāi)關(guān)和閉環(huán)控制的精度分析等信息。試驗(yàn)人員依據(jù)報(bào)告判斷試驗(yàn)流程執(zhí)行情況，用戶依據(jù)報(bào)告判斷試驗(yàn)是否達(dá)到預(yù)計(jì)效果。

圖12 數(shù)據(jù)回看界面

軟件維護(hù)包括用戶數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)、試驗(yàn)表單維護(hù)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)庫(kù)維護(hù)及控制策略維護(hù)。用戶數(shù)據(jù)信息包括用戶名、密碼、權(quán)限、使用時(shí)間及使用次數(shù)等，存儲(chǔ)在試驗(yàn)數(shù)據(jù)服務(wù)器中心，管理人員在試驗(yàn)前后，對(duì)用戶信息進(jìn)行增刪改查；試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)服務(wù)器中心，試驗(yàn)結(jié)束后，由用戶拷貝分析，試驗(yàn)管理人員及時(shí)整理存儲(chǔ)空間，為下次試驗(yàn)做準(zhǔn)備；不同的航天器真空外熱流試驗(yàn)需要監(jiān)測(cè)和控制的參數(shù)存在差異，用戶提供需求，試驗(yàn)管理人員定制化維護(hù)編制試驗(yàn)表單。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)庫(kù)采用模塊化編程，模塊采用數(shù)據(jù)流方式驅(qū)動(dòng)，如圖13所示，程控電源驅(qū)動(dòng)程序塊輸入設(shè)備名稱(chēng)、IP地址、設(shè)定電壓、設(shè)定電流、限定電流及錯(cuò)誤信息等參數(shù)，輸出設(shè)備IP、實(shí)時(shí)電壓、實(shí)時(shí)電流及錯(cuò)誤信息等參數(shù)。當(dāng)程控電源品種增加或更新驅(qū)動(dòng)時(shí)，軟件維護(hù)人員只需要對(duì)程控電源驅(qū)動(dòng)程序塊進(jìn)行修改。數(shù)采設(shè)備程序塊輸入設(shè)備名稱(chēng)、IP地址、采集通道數(shù)、傳感器類(lèi)型、采集間隔及錯(cuò)誤信息等參數(shù)，輸出設(shè)備IP、實(shí)時(shí)溫度及錯(cuò)誤信息等參數(shù)。當(dāng)數(shù)采設(shè)備品種增加或更新驅(qū)動(dòng)時(shí)，軟件維護(hù)人員只需要對(duì)數(shù)采設(shè)備程序塊進(jìn)行修改。設(shè)備驅(qū)動(dòng)的模塊化設(shè)計(jì)，提高了程序的易維護(hù)性和可擴(kuò)展性

圖13 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序塊

控制策略分為開(kāi)關(guān)控溫和閉環(huán)控溫兩個(gè)功能部分，采用用模塊化編程，如圖14所示。開(kāi)關(guān)電源控溫程序塊輸入控制溫度、上限溫度、下限溫度、設(shè)定溫度、限定電流及錯(cuò)誤信息等參數(shù)，輸出實(shí)時(shí)電流、實(shí)時(shí)溫度及錯(cuò)誤輸出等參數(shù)。開(kāi)關(guān)控溫旨在將溫度控制設(shè)定的上下限區(qū)域內(nèi)。閉環(huán)控溫程序塊輸入控制溫度、控制模式、PID參數(shù)、設(shè)定電流及錯(cuò)誤輸入?yún)?shù)，輸出實(shí)時(shí)電流、實(shí)時(shí)溫度及錯(cuò)誤輸出等參數(shù)。控制模式支持階躍開(kāi)環(huán)，階躍閉環(huán)，繼電器，模糊規(guī)則自整定控制，支持標(biāo)準(zhǔn)P，PI，PID控制，閉環(huán)控溫旨在將溫度動(dòng)態(tài)控制在設(shè)定恒定值，控溫穩(wěn)定誤差不超過(guò)±0.4℃。當(dāng)控制策略需要增加或更新時(shí)，軟件維護(hù)人員只需要對(duì)控制策略程序塊進(jìn)行修改，方便開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行控制算法的維護(hù)和升級(jí)。

圖14 控制策略程序塊

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)完成后，選取典型的溫度階梯控制工況進(jìn)行試驗(yàn)，使用多臺(tái)大華DH1790程控電源，分別控制加熱片和加熱燈陣的輸出，使用KEITHLEY-2701數(shù)字萬(wàn)用表采集熱電偶的溫度，被控對(duì)象為航天器部組件。編寫(xiě)工況列表，程序根據(jù)設(shè)置時(shí)間，自動(dòng)切換被控對(duì)象的溫度為32 ℃、39 ℃、45 ℃，做溫度階梯試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖15所示，在溫度轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，未開(kāi)啟任何制冷設(shè)備，溫升較快，更能考驗(yàn)系統(tǒng)自整定PID參數(shù)的超調(diào)回調(diào)能力。

圖15 階梯控溫試驗(yàn)結(jié)果

綜上，試驗(yàn)總體溫度超調(diào)量不超過(guò)0.5 ℃，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定誤差不超過(guò)±0.4 ℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用新的生產(chǎn)者-消費(fèi)者程序框架，在控制周期中，多臺(tái)電源采用不同類(lèi)型的傳熱控溫方式，溫升速度、超調(diào)量和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定誤差等曲線參數(shù)幾乎保持一致，驗(yàn)證了新的程序框架處理多線程多任務(wù)復(fù)雜場(chǎng)景的解耦合和高并發(fā)性能。使用了新增的自整定PID算法，適應(yīng)性好，解決了控制系統(tǒng)快速性、小超調(diào)量和小誤差性之間的矛盾，更適合復(fù)雜航天器的真空外熱流試驗(yàn)系統(tǒng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于虛擬儀器的航天器外熱流系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)LXI總線集成數(shù)字萬(wàn)用表、矩陣開(kāi)關(guān)和程控電源等設(shè)備，結(jié)合LabVIEW環(huán)境開(kāi)發(fā)軟件，實(shí)現(xiàn)了大通道溫度采集和電源智能控制，使用改善的軟件框架和故障處理機(jī)制，穩(wěn)定安全地在真空環(huán)境下模擬了航天器表面接收的外熱流；引進(jìn)自整定控制算法，大幅提升試驗(yàn)效率，提高控溫精度。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜航天器的真空外熱流試驗(yàn)，節(jié)約人力成本，具有使用方便靈活和系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。