一種針對大尺度發射筒的溫控技術

韋 堅，王小軍，梁財海，郝欣偉

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一種針對大尺度發射筒的溫控技術

韋 堅，王小軍，梁財海，郝欣偉

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

溫控系統是導彈發射平臺控制系統的重要組成部分，發射筒溫控系統的綜合性能在導彈機動發射平臺可靠性、安全性等方面起著重要的作用。首先論述目前發射筒溫控系統的現狀，根據發射筒結構復雜、尺寸較大且內部流場不均等特點，研究基于分布式光纖測溫的模糊溫控技術。通過模擬試驗和仿真分析的研究，分析溫控技術方案的可行性及有效性，探索新型溫控方式對于大尺度發射筒的適用性，這對發射筒溫控技術的發展是一項有益的嘗試。

發射筒；模糊溫控；分布式；測量

0 引 言

導彈作為復雜的武器裝備，為了保持其優良的性能，對其存儲環境有嚴格的要求。溫控系統通過對發射筒內的溫度進行控制保證彈體處于適宜的環境中。隨著導彈等武器裝備的發展，發射筒溫控系統的綜合性能在導彈機動發射平臺可靠性、安全性以及生存能力等方面起著越來越重要的作用[1]。

發射筒作為導彈的載體，其長度尺寸較大，在緊湊的結構布局下，發射筒內壁與彈體之間間隙很小，加上支撐彈體的適配器限制，導致調溫氣流流通不暢，筒內溫度場分布不均勻。采用的熱敏電阻單點測溫方式獲得的測溫值很難反應發射筒內溫度的分布情況，針對這種復雜的大滯后、非線性對象，難以對其進行建模分析，因此溫控算法與控制對象匹配性不佳。目前，溫控策略主要以測溫值為依據，由于所獲的信息量少和溫控算法的匹配性問題導致了發射筒溫度控制的難度較大，溫度控制效果不理想。這在一定程度上制約了溫控技術的發展。

分布式光纖測溫是近年來迅速發展的一種嶄新的分布式傳感技術。若將其應用于發射筒溫度測量，可以獲取光纖分布區域的溫度信息，實時了解筒內溫度場的分布情況。對于大滯后、非線性的系統，模糊控制算法可以利用分布式測溫系統所獲得的溫度場信息進行模糊推理，從而進行發射筒溫度控制。

1 分布式光纖測溫的技術原理及分析

1.1 分布式光纖測溫技術分析

光纖測溫法由英國南安普敦大學在1981年提出，其基本原理是將感溫光纖置于待測物體上，由脈沖光源向光纖中發射一束激光脈沖，光脈沖在光纖中傳播，發生拉曼散射效應，光纖中每一點均向后產生散射光，散射光包含兩種波長不同的光，分別稱之為斯托克斯光（Stokes）與反斯托克斯光（Anti-Stokes）[2]。溫度不同則拉曼散射效應產生的反斯托克斯光強也不同，斯托克斯光對溫度基本不敏感可將其作為參考光，需將兩者采集并進行處理，解調出溫度和位置信息。測量的溫度與散射光強的關系為[3,4]

在0~100 ℃范圍內，拉曼散射的比值近似于一個線性方程，均為線性方程的系數，該方程可表示為

（3）

（5）

結合式（5），溫度關系式可表達為

（7）

根據式（8）進行線性解調求出線性參數后，再對溫度進行標定，即可根據線性參數計算出各點溫度，各測溫點與初始位置的距離可以利用入射光和后向散射光的時間差進行計算，從而實現各溫度點的定位。分布式光纖測溫系統的核心部分在于數據采集與處理，測溫系統主要由脈沖光源、波分復用器、APD光電轉換模塊、測溫光纖和高速數據采集卡組成。

1.2 分布式測量與點式測量的對比分析

熱敏電阻測溫法作為傳統的點式測量方式，廣泛應用于逐點的測量場合，其最大的優點是穩定性較好。常用的Pt電阻已被國際標準ITS-90規定在961.78 ℃以下作為標準溫度計使用[5]。測溫精度主要由Pt電阻精度和A/D轉換的精度決定，8位A/D轉換電路最大誤差在0.5%以內。測溫范圍在-40~100 ℃時，測量誤差在±0.5 ℃范圍之內。

目前分布式光纖測溫并沒有現行的國際標準，根據各個廠商提供的數據分析可知，其測溫的范圍大致在-40~200℃，測溫精度為0.5 ℃。穩定性方面，長期運行時光源會產生波動，且光纖中的損耗特性和受激散射效應，使穩定性受到影響。分布式的測溫方式，可以便捷地獲取光纖分布區域的溫度，因此相比于點式測量，分布式光纖測溫能夠更多地反應發射筒溫度場的信息。

2 基于分布式光纖測溫的溫控系統分析

將模糊控制結合分布式光纖的測溫法應用于溫控系統時，溫控系統模糊控制的基本原理如圖1所示。對于多變量的系統，由于人的思維通常不超過三維，因此多變量模糊控制器的設計一般要進行結構分解以利于理論上的設計和功能結構上的實現[6]。

圖1 溫控系統模糊控制基本原理

溫控系統中有3個輸入量和2個輸出量，它們是作為模糊語言變量存在，這樣的語言變量應用于模糊控制的方式可以通過五元體進行表征，其中環境溫度的五元體如圖2所示。

由圖2可知，環境溫度如何從語言變量映射至相應的數值論域，在完成語言變量至數值論域的映射之后，即可通過設定相應的模糊控制規則，進行推理邏輯設定，進而實現模糊控制器的推理設計。

圖2 環境溫度語言變量的映射關系

對于多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）模糊控制器，其規則庫有如下形式[7,8]：

（11）

因此，所有條模糊控制規則的總模糊蘊涵關系為

（13）

完成輸入、輸出的隸屬函數和模糊控制規則的設計后，即可得到控制器的輸入輸出特性曲面如圖3所示。

圖3反映了通過模糊控制規則推理出的進風口溫差值、溫度場方差和循環風量的關系。從圖3可知，循環風量主要的影響因素為溫度場溫度值的方差，方差表征的是一個溫度場的均勻程度，方差輸入量大時，需要較大的風量使流場能進行對流從而達到熱平衡。綜上，模糊控制器的設計合理。

圖3 模糊控制輸出特性曲面

在Labview平臺上對分布式光纖測溫系統進行開發，通過算法對散射光強進行解調和溫度標定，同時對光纖光路的損耗進行指數補償。分布式測溫系統的測溫效果通過試驗的方法進行驗證，將測溫光纖置于溫度為27.4 ℃的環境中，并從中抽取6 m的光纖置于初始溫度為41.5 ℃的水域中，分布式測溫效果曲線如圖4所示。

圖4 分布式測溫系統測溫效果

圖4中，在測量27.4 ℃的環境溫度時，最大測溫值為28.2 ℃、最小測溫值為26.7 ℃、水域溫度為41.5 ℃時，可以看到尖峰部分的溫度為42.06 ℃，從控制系統角度，測溫精度基本能夠滿足系統的要求。

下面通過模擬試驗的方式，對溫控系統進行分析，將測溫系統所得值（見圖4）作為模糊控制器的輸入，其中0~20 m的測溫平均值作為環境溫度值，30~80 m測溫值作為發射筒內的溫度值，75~85 m測溫平均值作為回風口的溫度值。根據上述輸入得到的溫控系統輸出如圖5所示。

圖5 模擬試驗溫控系統輸入和輸出關系

由圖5可知，根據測溫值可求得回風口溫差值為-2.4 ℃（參考值22 ℃），溫度場溫度方差為0.557，環境溫度為27.1 ℃，控制的目標為保持發射筒內的溫度為15~30 ℃時，溫控系統的輸出為加熱、制冷量約為0，循環風量為0.7。控制器通過風量對溫差較大的情況進行調節，而不進行加熱、制冷的調溫動作，使系統能夠達到一個合理的平衡狀態。

若是采用點式測溫值作為溫控的判定依據，則難以判斷筒內溫度場的情況，因此控制效果并不理想。

3 結 論

利用分布式光纖測量發射筒內的溫度，可以簡捷地獲知發射筒內溫度分布情況，結合模糊控制策略，通過模擬試驗分析表明，此種溫控方式更能隨筒內溫度的變化進行有效調節。研究基于分布式光纖測溫的模糊控制技術對于提升溫控技術水平是有益的嘗試，同時也能夠為探索發射筒溫控系統的發展提供思路。

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Temperature Control Technology ofLarge-scale Launcher Canister

Wei Jian, Wang Xiao-jun, Liang Cai-hai, Hao Xin-wei

(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

Temperature control system is an important part of the missile launch platform. The comprehensive feature of the system plays an important role in reliability, security and other aspects of missile mobile platform. This paper discusses the current status of the tube temperature control system, according to the complex structure of launcher canister, the large size and the uneven problem of internal flow field, the research is mainly focused on fuzzy temperature control technology based on distributed fiber optic temperature measurement. By researching the simulation experiment and simulation analysis, this paper analyzes of the feasibility and effectiveness of the new control technology and explores the applicability of new control way for large-scale launcher canister, which is a useful attempt for temperature control development.

Launcher canister; Fuzzy temperature control; Distribution; Measurement

1004-7182(2016)03-0089-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160321

V553

A

2015-08-14；

2015-10-20

韋 堅（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向為智能控制算法及分布式測量技術