高溫域熱加載試驗系統(tǒng)可靠性設計探索

摘 要： 以某次高超聲飛行器環(huán)境試驗為背景，為了解決高溫?離心復合試驗中溫度過沖，試驗被迫中斷的問題，在分析熱加載系統(tǒng)結構特點的基礎上，從軟件、硬件兩方面著手，提出兩種異常情況設計優(yōu)化方案，并對兩種設計方案進行了試驗考核。根據(jù)試驗結果，對兩種設計方案進行討論，總結其各自適用范圍。結果表明，在試驗設備出現(xiàn)短期的異常情況或試驗條件容許溫控指標適當放寬的情況下可以采用軟容錯設計方案；在系統(tǒng)控制要求較嚴格的場合，可以選擇硬容錯設計方案。

關鍵詞： 容錯技術； 熱加載試驗系統(tǒng)； 閉環(huán)控制； 高溫域

中圖分類號： TN911?34； TN92?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）06?0126?03

Abstract： Taking the environmental test of a certain high supersonic aircraft as the background and based on analysis of the structural features of the heat loading system， two design optimization schemes involving software and hardware for the abnormal condition are proposed to solve the test interruption problem caused by the temperature overshoot in the high?temperature and centrifuge composite test. The test assessment was carried out for the two design schemes. According to the test results， the two design schemes are discussed， and their application ranges are summarized. The results show that the software fault?tolerant design scheme can be adopted when the short?term abnormal condition of the test equipment appears， or the temperature control index of the test condition can be appropriately relaxed； the hardware fault?tolerant design scheme can be adopted in the occasion that the control requirement of the system is strict.

Keywords： fault?tolerant technology； heat loading test system； closed?loop control； high?temperature domain

0 引 言

高超聲速飛行器由于其快速、機動性能，已成為世界各軍事大國爭相研究的重點。與常規(guī)武器相比，高超聲速飛行具有溫度變化快、溫度高、升溫過程中振動、離心等載荷復合等特點[1?3]。為了準確模擬高超聲速飛行器飛行過程中的溫度載荷，我國相關研究機構開展了研究工作，溫度加載技術方面，中國工程物理研究院魯亮等針對溫度經(jīng)TPS（Thermal Protection System）后產(chǎn)品響應為控制對象，建立了一套快溫變熱加載試驗系統(tǒng)，利用DDE等技術解決了溫度控制參數(shù)自適應問題[4]，北京航空航天大學吳大方利用輻射熱技術建立了一套溫度加載試驗系統(tǒng)，研究了輻射燈方式下瞬態(tài)高溫超過1 000 ℃（150 ℃/s）的溫度試驗方法[5?6]。中國工程物理研究院李春枝等開展了狹小空間下振動、加速度測量技術研究工作[7]。但針對溫度的測量，通常仍采用熱電偶技術進行。在某高溫?離心復合試驗過程中發(fā)現(xiàn)，高溫環(huán)境下疊加力學載荷，對傳感器的固定帶來較大影響。固定溫度傳感器的高溫膠帶在高溫及離心載荷影響下粘貼性能出現(xiàn)了退化，如圖1所示，造成試驗過程中出現(xiàn)溫度傳感器脫落的現(xiàn)象，導致數(shù)據(jù)采集值過低，加熱輸出滿載，溫度迅速過沖，試驗被迫中斷的情況。為了解決這一問題，一方面需開展高溫環(huán)境下傳感器固化技術研究，提高了數(shù)據(jù)采集通道工作可靠性。更重要的是，需要建立具有容錯工作模式熱加載試驗平臺，以保證試驗任務的圓滿完成。本文以高溫?離心復合試驗為背景，開發(fā)了一套具有容錯工作模式的熱加載試驗平臺，并為數(shù)據(jù)采集、加熱輸出等功能模塊設計了冗余硬件，以提高試驗可靠性。

1 溫度試驗加載系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)如圖2所示，溫控儀表選用島電科技FP23型智能溫控儀。FP23實時采集試驗件溫度數(shù)據(jù)，并與提前設定好的目標溫度進行比對，根據(jù)溫度偏差等結合PID參數(shù)值計算功率輸出，調節(jié)給輸出調壓器，完成熱加載功率的壓力調節(jié)；同時，利用RS 485將溫度、偏差等參數(shù)傳給上位機監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)情況進行參數(shù)、運行控制等指令的調節(jié)。

2 溫度試驗加載系統(tǒng)容錯設計

武器產(chǎn)品在高溫試驗時，因其可能帶有炸藥等部件，對環(huán)境試驗熱加載的準確度、可靠性有非常高的要求。這時，一方面就要求環(huán)境試驗條件加載設備部件具有較好的工作可靠性，另一方面要求其具有好的容錯性能[8]。

容錯主要指在溫度試驗過程中實時監(jiān)控試驗設備運行狀態(tài)，及時對設備故障進行診斷、屏蔽。對試驗設備出現(xiàn)的可恢復的瞬時錯誤，可通過設備重啟或設置故障點，從故障點處重新執(zhí)行，實現(xiàn)對試驗設備的現(xiàn)場恢復。當設備出現(xiàn)不可恢復故障或加熱升溫過程中故障時，在試驗設備設計時加入冗余硬件資源，可以保障試驗順利開展。根據(jù)可靠性理論[9]，單路溫度采集通道的運行故障率為0.1%，則雙路運行故障率僅為0.000 1%，提高了試驗的可靠性及安全性。

本文利用軟件及硬件提出了兩種容錯方案，并進行了試驗比對，最終根據(jù)可靠性選擇了方案2。

2.1 軟件容錯設計

對原熱加載系統(tǒng)控制閉環(huán)進行結構調整[10]，加熱功率輸出百分比不再由下位機直接控制，而是由監(jiān)控層軟件進行寫入。首先，監(jiān)控系統(tǒng)將備份溫控儀表的功率控制信號進行提取、篩選。然后，將得到的功率控制信號分配給原有輸出通道寄存器。最后，強制輸出給原有溫控功率儀表，控制原路輸出通道按照備份點輸出通道的功率控制信號輸出，原理圖如圖3所示。

2.2 硬件容錯設計

對熱加載系統(tǒng)控制閉環(huán)進行結構重構，為系統(tǒng)增加了一個2選1的輸出選擇器，輸出功率信號不直接傳給輸出通道SSR，而是將功率信息傳遞給2選1邏輯選擇器，邏輯選擇器根據(jù)監(jiān)控層軟件選擇常用通道或備份通道功率控制信息，如圖4所示。

3 系統(tǒng)試驗驗證

為了保證試驗可靠性，本文進行了兩種容錯工作模式下室溫到400 ℃的熱加載容錯試驗驗證，見圖5、圖6。

第一種容錯模式下，系統(tǒng)進入容錯模式后即出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，7 min后溫差超過2 ℃，23 min后溫差超過5 ℃。說明這種容錯模式下無法消除異常情況對系統(tǒng)加熱帶來的影響，但是系統(tǒng)可以進行短時間內的正常工作。

第二種容錯模式下，加熱過程中進行了兩次輸出通道切換，在兩次通道切換過程中對備份通道進行了溫度干預，發(fā)現(xiàn)并未影響主通道溫度控制結果，且通道切換正常；在最后一次通道切換后對主通道進行了溫度干預，備用通道溫度也跟隨變化，說明溫度通道切換正常，且控制決策正確。

4 結果分析及評價

高溫情況下對傳感器、粘結劑的性能帶來了嚴峻考驗，加上力學擾動因素，容易造成測點、控制點脫落等現(xiàn)象。本文設計容錯試驗能力驗證，試驗結果表明，兩種容錯方式在一定時間范圍內均可實現(xiàn)容錯功能，但是兩種方式效果不同，下面具體分析：

（1） 加熱輸出百分比強制下置容錯。這個過程改變了原先控制器的閉環(huán)結構，增加了上位機功率傳輸過程。這一功能主要靠監(jiān)控層級實現(xiàn)。由于溫控儀表控制信號至上位機監(jiān)控層的數(shù)據(jù)傳輸過程，傳輸?shù)乃俾试娇?，控制越精確，但同時會給儀表通信增加負擔。若數(shù)據(jù)傳輸速率過慢，則控制滯后這一因素無法消除，會引起系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。因此，在試驗設備出現(xiàn)短期的異常情況，或出現(xiàn)異常情況時試驗條件容許溫控指標適當放寬的情況下，可以選用該方式。這種容錯方式優(yōu)點是不需停止試驗過程，僅可以為試驗有限度的繼續(xù)進行提供支持。

（2） 硬件容錯。這一過程，相當于傳統(tǒng)控制閉環(huán)的重構，并不改變原有的控制系統(tǒng)結構，因此，不會引入時滯誤差，因此這種容錯方式在設備工作出現(xiàn)異常情況時可以有效可靠地繼續(xù)工作。但增加了控制選擇器等邏輯器件，硬件成本增加、且對輸出通道資源會產(chǎn)生浪費。這種方式適用于系統(tǒng)控制要求嚴格的場合。

5 結 論

為了解決高溫?離心復合試驗中因出現(xiàn)溫度傳感器脫落的現(xiàn)象，數(shù)據(jù)采集值過低，加熱輸出滿載，導致溫度迅速過沖，試驗被迫中斷的問題，從軟、硬件角度出發(fā)，提出了兩種高溫域熱加載試驗系統(tǒng)設計方案，并進行了試驗考核。結果表明，在試驗設備出現(xiàn)短期的異常情況，或出現(xiàn)異常情況時試驗條件容許溫控指標適當放寬的情況下可以采用軟容錯設計方案，在系統(tǒng)控制要求較嚴格的場合，可以選擇硬容錯設計方案。兩種方案在不同場合下能較好解決高溫?離心復合試驗中的溫度過沖現(xiàn)象，從而保證試驗順利完成。

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