QC案例：星敏支架精密控溫研究

◆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(guó)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(shè)計(jì)師組成，曾多次獲得全國(guó)、上海市、航天系統(tǒng)優(yōu)秀質(zhì)量管理小組榮譽(yù)。本案例獲得2016年上海市QC小組發(fā)表賽特等獎(jiǎng)。

課題選擇

FY-4衛(wèi)星是我國(guó)新一代高精度氣象衛(wèi)星，星敏感器是衛(wèi)星進(jìn)行高精度姿態(tài)測(cè)量和軌道控制的重要儀器，其安裝支架在不穩(wěn)定溫度場(chǎng)下的結(jié)構(gòu)熱變形，將引起星敏光學(xué)頭部整體剛性位移，如離軸、離焦和相對(duì)傾斜，給星敏光學(xué)系統(tǒng)測(cè)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(nèi)，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(shù)”主題，開展頭腦風(fēng)暴，集思廣益，分析形成3個(gè)備選課題：柔性高導(dǎo)熱材料技術(shù)、全被動(dòng)熱控技術(shù)，以及精密控溫技術(shù)。小組從技術(shù)能力、資源需求、技術(shù)難度及應(yīng)用前景等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

通過評(píng)估，精密控溫技術(shù)的控溫能力最強(qiáng)、適應(yīng)性最好、綜合得分最高。因此確定本次QC活動(dòng)的課題為：星敏支架精密控溫研究。結(jié)合型號(hào)背景需求及當(dāng)前技術(shù)能力，對(duì)標(biāo)“十三五”航天熱控領(lǐng)域發(fā)展規(guī)劃，確定課題目標(biāo)為：精密控溫系統(tǒng)控溫精度優(yōu)于±0.1℃。

QC小組針對(duì)控溫精度的三個(gè)關(guān)鍵影響因素溫度采集與標(biāo)定、控制算法、輸出控制，進(jìn)行了目標(biāo)可行性分析。經(jīng)理論分析結(jié)合國(guó)外研制經(jīng)驗(yàn)，通過以下技術(shù)集成應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于±0.1℃的控溫精度，接近國(guó)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(cè)溫傳感器，預(yù)計(jì)測(cè)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(biāo)定電路消除測(cè)溫誤差；

2）采用先進(jìn)控制算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)開關(guān)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(jìn)一步提高控制精度與穩(wěn)定性。

方案選擇與確定

根據(jù)本課題高精度、自適應(yīng)控溫的特點(diǎn)，產(chǎn)品研制分解為三個(gè)主要研究模塊：高精度溫度采集與標(biāo)定、自適應(yīng)控制理論與算法、高精細(xì)化輸出控制。

（1）高精度溫度采集與標(biāo)定

選取線性度、穩(wěn)定性、互換性好、響應(yīng)時(shí)間短的四線制鉑電阻作為測(cè)控溫傳感器，這需合理地調(diào)理電路進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換與校準(zhǔn)。經(jīng)分析，選擇700uA恒流源激勵(lì)電流，16位A/D轉(zhuǎn)換器，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)通道+算法修正。

QC小組開展了誤差處理方法對(duì)比試驗(yàn)。采用鉑電阻測(cè)量恒溫槽裝置（溫度精度0.01℃）內(nèi)溫度。結(jié)果表明：采用“標(biāo)準(zhǔn)電阻+算法修正”時(shí)測(cè)溫偏差小于0.05℃，僅采用“算法修正”時(shí)測(cè)溫偏差大于0.3℃，“無(wú)算法修證”時(shí)測(cè)溫偏差大于0.5℃。

（2）自適應(yīng)控制理論與算法

控制算法選?。核惴ㄊ菍?shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)高精度、高穩(wěn)定、高自適應(yīng)控制的關(guān)鍵。小組基于Matlab平臺(tái)搭建了控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型，對(duì)不同PID算法的控溫效果進(jìn)行了仿真。引入瞬態(tài)外熱流以及擾變內(nèi)功耗考察算法抗干擾能力。實(shí)驗(yàn)顯示，在內(nèi)外擾動(dòng)下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yàn)證試驗(yàn)：采用空調(diào)吹風(fēng)模擬對(duì)控制對(duì)象的擾動(dòng)。在外界擾動(dòng)下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(diào)量、穩(wěn)定時(shí)間等控制性能的關(guān)鍵。對(duì)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(chǎng)。經(jīng)小組仿真分析表明，采用單純型ITSE方法參數(shù)整定超調(diào)量0.1℃，穩(wěn)定時(shí)間約40min； Ziegler-Nichol法超調(diào)量、穩(wěn)定時(shí)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(xì)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(guān)控制無(wú)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(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，頻率越高控溫穩(wěn)定性越好，500Hz以上頻率時(shí)控制效果十分接近，均優(yōu)于±0.03℃。450Hz以下控制出現(xiàn)波動(dòng)，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(guān)選?。盒l(wèi)星上常用的加熱器開關(guān)控制器件為繼電器和MOS管。為滿足高速脈寬調(diào)制下長(zhǎng)期可靠工作7年，且開關(guān)響應(yīng)時(shí)間盡量短要求，經(jīng)分析選用MOS管。

PWM調(diào)制方案選?。篜WM調(diào)制量在每個(gè)周期內(nèi)的分布情況影響最終控制效果，經(jīng)分析確定采用均衡分布方式實(shí)現(xiàn)控制穩(wěn)定。小組進(jìn)行了PWM調(diào)制方案的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)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(jīng)過對(duì)模塊研制方案的分析篩選，最終確定了最佳設(shè)計(jì)方案（見表1），制定了對(duì)策表（見表2）。

對(duì)策實(shí)施

QC小組依據(jù)上述對(duì)策表對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了實(shí)施。

高精度溫度采集與標(biāo)定模塊實(shí)施。小組成員編制鉑電阻加工技術(shù)要求，明確四線制鉑電阻要求，并對(duì)鉑電阻進(jìn)行驗(yàn)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(shù)要求，明確了700uA恒流源及允許偏差、16位A/D轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵項(xiàng)目要求，全程參與裝調(diào)過程，確保電路設(shè)計(jì)、元器件規(guī)格等符合要求。

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

自適應(yīng)控制理論與算法模塊實(shí)施。小組制定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法流程，并基于控制對(duì)象Matlab動(dòng)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(jìn)一步提高參數(shù)選擇精度，減小超調(diào)量并縮短響應(yīng)時(shí)間，小組通過正交試驗(yàn)確定最優(yōu)解：Kp=1.6、Ki=0.03。

表1 最佳方案

表2 對(duì)策表

小組隨后開展了軟件對(duì)接測(cè)試，控制對(duì)象初始溫度約0℃，控溫目標(biāo)為20℃。測(cè)試表明：控溫精度優(yōu)于±0.1℃，控溫初始超調(diào)0.33℃，響應(yīng)時(shí)間約20min（6000采樣序列）。

高精細(xì)化輸出控制模塊實(shí)施。QC小組成員編制輸出電路技術(shù)要求，明確PWM控制量采用500Hz輸出頻率，開關(guān)控制元件采用MOS管，PWM控制周期內(nèi)均衡分布要求。小組進(jìn)行了輸出模塊單板電測(cè)以驗(yàn)證輸出頻率。結(jié)果表明：模塊中PWM輸出頻率為500Hz。小組利用示波器對(duì)輸出模塊PWM分布波形進(jìn)行了測(cè)試，PWM在控制周期內(nèi)完全均勻分布，平均度100%。

效果檢查

圖1 控溫對(duì)象溫度結(jié)果控制圖

小組根據(jù)對(duì)策表完成了3個(gè)模塊的研制及驗(yàn)證，通過系統(tǒng)集成得到精密控溫原理樣機(jī)，搭建了星敏精密控溫試驗(yàn)系統(tǒng)，開展了專項(xiàng)真空熱試驗(yàn)，依據(jù)衛(wèi)星在軌條件進(jìn)行了轉(zhuǎn)移軌道、春秋分、夏至等試驗(yàn)工況，全面考核精密控溫系統(tǒng)性能。由試驗(yàn)結(jié)果控制圖（見圖1）可知，除在控制起始階段（40min內(nèi)）僅有的個(gè)別點(diǎn)外，其余試驗(yàn)期間內(nèi)溫度在20±0.03℃范圍內(nèi)。說明精密控溫系統(tǒng)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。

對(duì)課題目標(biāo)（±0.1℃）進(jìn)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(dāng)前國(guó)際最先進(jìn)水平±0.03℃計(jì)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(biāo)圓滿完成！

效益分析

經(jīng)核算，本次QC活動(dòng)共花費(fèi)15.4萬(wàn)元。所研制的精密控溫裝置，控溫達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，可廣泛應(yīng)用于高精度遙感衛(wèi)星平臺(tái)及載荷，具有巨大的直接和間接效益。

通過本次QC活動(dòng)，小組成員在質(zhì)量意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)、技術(shù)能力、QC知識(shí)、團(tuán)隊(duì)精神和工作熱情等方面都有了不同程度的提高。

標(biāo)準(zhǔn)化

本次QC課題活動(dòng)總計(jì)形成分析論證報(bào)告、設(shè)計(jì)報(bào)告、試驗(yàn)報(bào)告等技術(shù)文件15份，發(fā)表研究論文兩篇，申請(qǐng)相關(guān)專利一篇。

（作者單位：上海衛(wèi)星工程研究所）