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

上海衛星工程研究所是我國氣象衛星的搖籃，成立至今已研制和發射40多顆衛星，“星辰”QC小組主要由航天器熱控設計師組成，曾多次獲得全國、上海市、航天系統優秀質量管理小組榮譽。本案例獲得2016年上海市QC小組發表賽特等獎。

課題選擇

FY-4衛星是我國新一代高精度氣象衛星，星敏感器是衛星進行高精度姿態測量和軌道控制的重要儀器，其安裝支架在不穩定溫度場下的結構熱變形，將引起星敏光學頭部整體剛性位移，如離軸、離焦和相對傾斜，給星敏光學系統測量精度帶來極大影響。為了保證衛星姿態確定精度，減小星敏支架熱變形，需保證支架溫度在17℃～23℃范圍內，穩定性優于±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”主題，開展頭腦風暴，集思廣益，分析形成3個備選課題：柔性高導熱材料技術、全被動熱控技術，以及精密控溫技術。小組從技術能力、資源需求、技術難度及應用前景等方面進行評價。

通過評估，精密控溫技術的控溫能力最強、適應性最好、綜合得分最高。因此確定本次QC活動的課題為：星敏支架精密控溫研究。結合型號背景需求及當前技術能力，對標“十三五”航天熱控領域發展規劃，確定課題目標為：精密控溫系統控溫精度優于±0.1℃。

QC小組針對控溫精度的三個關鍵影響因素溫度采集與標定、控制算法、輸出控制，進行了目標可行性分析。經理論分析結合國外研制經驗，通過以下技術集成應用，可實現優于±0.1℃的控溫精度，接近國外±0.03℃水平：

1）采用高精度鉑電阻代替傳統熱敏電阻作為測溫傳感器，預計測溫精度從0.3℃提高到0.01℃～0.1℃，并通過高精度溫度采集與標定電路消除測溫誤差；

2）采用先進控制算法代替傳統開關控制方式可極大提高控制精度與穩定性，從±0.5℃提高到±0.05℃；

3）采用高頻控制輸出，縮短控制周期，進一步提高控制精度與穩定性。

方案選擇與確定

根據本課題高精度、自適應控溫的特點，產品研制分解為三個主要研究模塊：高精度溫度采集與標定、自適應控制理論與算法、高精細化輸出控制。

（1）高精度溫度采集與標定

選取線性度、穩定性、互換性好、響應時間短的四線制鉑電阻作為測控溫傳感器，這需合理地調理電路進行放大、轉換與校準。經分析，選擇700uA恒流源激勵電流，16位A/D轉換器，并進行標準通道+算法修正。

QC小組開展了誤差處理方法對比試驗。采用鉑電阻測量恒溫槽裝置（溫度精度0.01℃）內溫度。結果表明：采用“標準電阻+算法修正”時測溫偏差小于0.05℃，僅采用“算法修正”時測溫偏差大于0.3℃，“無算法修證”時測溫偏差大于0.5℃。

（2）自適應控制理論與算法

控制算法選取：算法是實現溫度場高精度、高穩定、高自適應控制的關鍵。小組基于Matlab平臺搭建了控制對象的動態模型，對不同PID算法的控溫效果進行了仿真。引入瞬態外熱流以及擾變內功耗考察算法抗干擾能力。實驗顯示，在內外擾動下，神經網絡PID控制穩定性優于±0.05℃，顯著優于傳統位置式PID（±0.15℃）、增量式PID（±0.1℃）。

QC小組開展驗證試驗：采用空調吹風模擬對控制對象的擾動。在外界擾動下，神經網絡PID控制穩定性和抗干擾能力顯著優于傳統PID。

參數整定及優化方案：PID參數Kp、Ki是決定超調量、穩定時間等控制性能的關鍵。對算法初始參數Kp、Ki合理的整定與優化，可以迅速建立精確、穩定的溫度場。經小組仿真分析表明，采用單純型ITSE方法參數整定超調量0.1℃，穩定時間約40min； Ziegler-Nichol法超調量、穩定時間分別為0.5℃、100min。因此，參數整定優化采用單純型ITSE方法。

（3）高精細化輸出控制

輸出頻率選取：在加熱器控制量（PWM）輸出端采用高頻處理，使加熱器開關控制無限近似于連續的電流控制，可極大提高控制穩定性。QC小組開展了頻率對比試驗。結果表明，頻率越高控溫穩定性越好，500Hz以上頻率時控制效果十分接近，均優于±0.03℃。450Hz以下控制出現波動，超出±0.1℃。考慮軟、硬件資源需求，確定輸出頻率為高頻500Hz。

安全開關選取：衛星上常用的加熱器開關控制器件為繼電器和MOS管。為滿足高速脈寬調制下長期可靠工作7年，且開關響應時間盡量短要求，經分析選用MOS管。

PWM調制方案選取：PWM調制量在每個周期內的分布情況影響最終控制效果，經分析確定采用均衡分布方式實現控制穩定。小組進行了PWM調制方案的對比試驗，結果表明：采用PWM均衡分布控制效果明顯優于集中分布方式，控制穩定性優于±0.03℃。

經過對模塊研制方案的分析篩選，最終確定了最佳設計方案（見表1），制定了對策表（見表2）。

對策實施

QC小組依據上述對策表對各個模塊進行了實施。

高精度溫度采集與標定模塊實施。小組成員編制鉑電阻加工技術要求，明確四線制鉑電阻要求，并對鉑電阻進行驗收，所有鉑電阻精度均優于0.03℃。

小組成員編制鉑電阻溫度采集電路技術要求，明確了700uA恒流源及允許偏差、16位A/D轉換等關鍵項目要求，全程參與裝調過程，確保電路設計、元器件規格等符合要求。

小組開展單板測溫試驗和誤差修正驗證試驗，結果表明：恒流源電流700±1uA，偏差0.15%；測溫分辨率優于0.01℃，均滿足要求；采用“標準通道+算法修正”方法，測溫精度、穩定性偏差均≤0.03℃，優于±0.05℃，滿足要求。

自適應控制理論與算法模塊實施。小組制定了神經網絡PID算法流程，并基于控制對象Matlab動態模型，利用單純型ITSE法獲得了整定后初始參數范圍：Kp=1.4～1.6，Ki=0.03～0.05。為進一步提高參數選擇精度，減小超調量并縮短響應時間，小組通過正交試驗確定最優解：Kp=1.6、Ki=0.03。

表1 最佳方案

表2 對策表

小組隨后開展了軟件對接測試，控制對象初始溫度約0℃，控溫目標為20℃。測試表明：控溫精度優于±0.1℃，控溫初始超調0.33℃，響應時間約20min（6000采樣序列）。

高精細化輸出控制模塊實施。QC小組成員編制輸出電路技術要求，明確PWM控制量采用500Hz輸出頻率，開關控制元件采用MOS管，PWM控制周期內均衡分布要求。小組進行了輸出模塊單板電測以驗證輸出頻率。結果表明：模塊中PWM輸出頻率為500Hz。小組利用示波器對輸出模塊PWM分布波形進行了測試，PWM在控制周期內完全均勻分布，平均度100%。

效果檢查

圖1 控溫對象溫度結果控制圖

小組根據對策表完成了3個模塊的研制及驗證，通過系統集成得到精密控溫原理樣機，搭建了星敏精密控溫試驗系統，開展了專項真空熱試驗，依據衛星在軌條件進行了轉移軌道、春秋分、夏至等試驗工況，全面考核精密控溫系統性能。由試驗結果控制圖（見圖1）可知，除在控制起始階段（40min內）僅有的個別點外，其余試驗期間內溫度在20±0.03℃范圍內。說明精密控溫系統可靠性高，抗干擾能力強。

對課題目標（±0.1℃）進行過程能力分析，過程能力指數Cp=(TUTL)/6S=5.13，過程能力富余較多。如按當前國際最先進水平±0.03℃計算Cp=1.71＞1.67，過程能力仍富余。

至此，小組成員通過密切協作，本次QC課題目標圓滿完成！

效益分析

經核算，本次QC活動共花費15.4萬元。所研制的精密控溫裝置，控溫達到國際先進水平，可廣泛應用于高精度遙感衛星平臺及載荷，具有巨大的直接和間接效益。

通過本次QC活動，小組成員在質量意識、創新意識、技術能力、QC知識、團隊精神和工作熱情等方面都有了不同程度的提高。

標準化

本次QC課題活動總計形成分析論證報告、設計報告、試驗報告等技術文件15份，發表研究論文兩篇，申請相關專利一篇。

（作者單位：上海衛星工程研究所）