一種三模冗余數字式增壓控制器研究

李 亮，劉 倩，龔 敏，榮為君，胡斌星

（上海宇航系統工程研究所，上海 201109）

目前以美歐為首的航天強國，正在發展大推力、大直徑、無毒無污染、高可靠性運載火箭，比較有代表性的是美國SPACE X 公司2019 年4 月成功完成重型獵鷹火箭首次商業飛行，起飛推力達2 500 噸。我國目前也在大力發展一系列新型運載火箭，以大幅提高運載能力，比較有代表性的是大型運載火箭長征五號。

增壓系統是液體大型運載火箭的重要分系統之一，其性能的改善與提升對火箭整體性能的改善起著重要的作用。增壓系統主要給液體推進劑貯箱提供氣枕壓力，保證液體推進劑在火箭發動機點火及飛行階段能夠順利進入發動機中，通過氣體填充可以使貯箱擁有一定的剛度，滿足結構承重時所需的內部壓力。發動機工作時，增壓氣瓶氣體進入貯箱內，占據推進劑空間，進而把推進劑擠壓出去[1-3]。

傳統機械式增壓方式主要為壓力信號器和繼電器以及減壓器和壓力調節器組合增壓等。壓力信號器和繼電器組合增壓主要通過壓力信號器敏感貯箱壓力，通過信號器的通斷觸點控制相關電磁閥的開關，從而實現壓力的控制[4-5]。減壓器和壓力調節器組合增壓通過壓力調節器感受貯箱壓力，通過調節器的開度調節實現對增壓氣體的流量控制，整個飛行過程貯箱壓力受控，截止閥頻繁開閉。這兩種增壓方式存在產品多、單機設計難度大、測試工作量大、工作適應性不強、無法二次裝訂壓力參數等問題。

該文在充分調研國內外液體運載火箭增壓方案基礎上開展設計工作，并基于某型號一級煤油箱開展系統設計工作，明確了壓力傳感器和繼電器組合的新型數字式增壓控制方案。

1 增壓輸送系統設計

針對一級煤油貯箱增壓需求，設計一種新型傳感器控制閉式增壓輸送系統，如圖1 所示，增壓輸送系統包含增壓控制器、電磁閥、數字式壓力傳感器、氦氣瓶、節流圈、安全閥以及配套的氣路等。首先貯箱中的數字式壓力傳感器實時采集當前壓力數據，并將壓力數據傳送到增壓控制器中，增壓控制器中的處理單元，對壓力數據進行相應的處理后，經三取二算法模塊，通過控制常通路、調節路及備份路電磁閥的工作，達到調節貯箱壓力的目的，使貯箱壓力維持在設定的壓力帶中。該增壓控制器采用冗余設計，包含三路相互獨立的CPU 控制模塊，任意兩路正常工作即可保證系統增壓能力滿足要求，因此可以大幅提高系統的可靠性[6-8]。

圖1 增壓系統壓力傳感器控制方案示意圖

2 增壓控制器方案設計

增壓控制器方案如圖2 所示。增壓控制器由完全相同且互相隔離的3 個CPU 控制單元及3 個表決單元組成。壓力傳感器通過485 總線將壓力數據送入控制單元供CPU 實時采集，CPU 將采集到的傳感器值轉換為相應的壓力數值，經數據合理性處理及濾波后，送入判斷模塊進行判斷，得出相應的控制結果。系統包含三路數字式壓力傳感器，分別送入3 個獨立的CPU 模塊進行相關決策控制。三路CPU 輸出的控制指令經三取二模塊后，分別對常通路、調節路和備份路電磁閥進行相關驅動控制[9-10]。

圖2 增壓控制器原理框圖

軟件的壓力閾值由常通路、調節路和備份路接通、關斷壓力值決定，可以根據不同任務靈活調整。

相對于傳統機械式增壓方案，該方案具有以下優勢：壓力參數裝訂靈活，只需通過軟件修改壓力控制帶參數即可；可以持續監測射前傳感器的狀態，而傳統增壓方案單元測試完成后即無法進行狀態監測；經過通用化設計后，單類增壓控制器即可滿足多型火箭的需求，具有很好的通用性[11]。

2.1 CPU及外圍電路設計

CPU 選用帶60 kBit FLASH、1 kB RAM 的8 位微控制器STC12C5A60S2。該芯片是一種單時鐘/機器周期（T1）的8 位微控制器，其指令系統與8051 完全兼容，相比普通單片機速度快8～12 倍，且具有兩路全雙工的串行口，可通過外接RS485 接口芯片后與壓力傳感器進行通信，同時將壓力傳感器信號通過另一路串口傳送到遙測系統。為防止軟件跑飛或程序進入死循環，在軟件內配置看門狗。

系統供電采用三路完全隔離的電源模塊，每路中都含有獨立的濾波模塊及5 V DC/DC 模塊，這樣可以做到三路CPU 模塊之間的嚴格獨立，增加系統的可靠性和冗余度[12]。

2.2 485數字壓力傳感器

根據一級煤油貯箱增壓實際情況，需選擇壓力范圍為0～1 Mpa 壓力傳感器，考慮到測試精度及抗干擾性，選用傳感器、變換器一體化的485數字壓力傳感器。該傳感器可將測量的數據直接轉換為485 格式數據，經異步串行半雙工通信接口輸出。測量精度選擇全溫區誤差不大于0.5%即可，工作溫度在-40～125 ℃范圍內。

2.3 三取二模塊設計

三取二冗余表決模塊是壓力控制器的重要單元，用于控制單元輸出的常通路、調節路和備份路三路控制信號進行三取二表決，實現電磁閥的通斷控制。其可靠性直接決定了系統是否具有高可靠性，表決系統采用6 個繼電器串并聯組合，如圖3 所示。繼電器的正端接電源，負端連單片機控制IO 端,由于單片機引腳驅動能力較弱，需要在單片機引腳與繼電器之間接驅動芯片，以提高單片機驅動能力。每路CPU 控制I/O 同時接2 個繼電器線圈，6 個繼電器組成三取二冗余網絡。通過繼電器實現冗余控制的目的。該表決結構具有較高的可靠性，任意一路控制信號有誤只影響本路控制的2 個繼電器，而不會造成表決失效。常通路、調節路和備份路三取二表決單元完全相同[13]。

圖3 表決單元示意圖

3 軟件設計

數字式壓力傳感器每隔20 ms 將采集到的壓力數據通過485 總線發送給CPU，增壓控制軟件采用200 ms濾波周期，使用最小二乘法濾波。CPU 接收到壓力傳感器數據后，首先判斷該壓力數據是否在誤差范圍內(可根據傳感器精度，合理地選擇誤差范圍)，且該壓力數據需要與上一濾波周期的結果進行比較（當前一濾波周期結果為0時，可忽略此步驟）[14]。軟件設計中定義每個濾波周期有效的壓力數必須大于等于5 個，此時判斷該周期壓力數據有效，可以參與后續增壓控制。否則直接將該周期數據剔除，控制程序執行上一周期壓力結果并等待下一周期數據到來[15]。對3 個控制結果進行三取二表決，輸出控制信號，完成驅動電磁閥工作。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

4 實驗驗證

本次實驗所進行的實驗工況見表1，考核一級煤油箱增壓在正常狀態和故障狀態情況下，能否控制壓力到正常范圍帶。

表1 實驗工況表

實驗前，通過地面配氣臺供氣，將貯箱壓力穩定在0.81 MPa 左右。實驗模擬一級煤油箱真實增壓過程，前20 s 運行在高壓力范圍帶，20 s 后運行在低壓力范圍帶，如圖5 所示，左側圖曲線為測量系統采集到的壓力曲線，右側圖為壓力控制器采集到的壓力曲線。從圖中還可以發現，在以下5 個工作模式中，遙測系統采集的壓力數據曲線和壓力控制器采集的數據曲線基本一致。在故障模式1、2、3 中，程序可以自主控制相應的電磁閥動作，從而使壓力值維持在相應的壓力帶，與設計要求一致。在故障模式4中，1 路壓力傳感器故障，通過三取二冗余模塊，成功規避了錯誤，達到了預期的設計要求。

圖5 多故障模式下增壓控制器壓力曲線

5 結論

基于三模冗余的數字式增壓控制器，可通過軟件靈活地設置貯箱壓力帶，提高了系統的精度和靈活性，通過三冗余設計可以顯著提高系統可靠性，可以確保在單路出現故障的情況下，系統正常工作[16]。通過實驗驗證了數字式增壓控制方案的合理、可行，可完成正常工作和任意路電磁閥打不開或關不上狀態下系統的工作需求，表明增壓控制軟件邏輯的正確性。多路冗余傳感器任意一路傳感器出現故障，不影響系統增壓壓力的控制，驗證了控制器“三取二”邏輯的正確性。實驗結果表明數字式壓力傳感器增壓系統替代現有機械式增壓系統的可行性，可以適應多型號的增壓需求。