長期在軌推進系統故障診斷實時仿真技術研究

趙 博，滿益明,鄒 彥，張凱宏

(1.中國運載火箭技術研究院，北京 100076； 2.山東航天電子技術研究所，山東 煙臺 264000；3.西安航天動力研究所，西安 710100)

0 引言

隨著大型應用衛星、空間站、載人飛船、月球和深空探測器等長期在軌航天器的迅速發展，對航天器的在軌可靠性提出了更高要求。 通過對公開發布的國外航天器共計527個在軌故障進行分析，推進、控制、供配電發生故障的比例最高，達55%以上，主要發生的故障包括推進劑泄漏、閥門失效、管路堵塞、推進劑與貯箱材料發生化學反應、發動機羽流影響等[1]。推進系統在軌發生故障的后果輕則某發動機支路無法提供推力，影響控制品質，重則造成整器爆炸，任務失敗。

長期在軌推進系統主要采用常規雙組元推進系統，采用綠色四氧化二氮(MON-3,Mixed of nitrogen-3)和甲基肼(MMH, monomethyl hydrazine)為推進劑，采用“擠壓式”供應系統，主要由氣瓶、電爆閥、減壓器、自鎖閥、貯箱、電磁閥、推力室及氣液管路等組成。

推進系統在設計過程中為了提高系統可靠性，規避在軌出現故障的可能性，對關鍵零部組件通常采取冗余備份設計，同時開展地面測試充分暴露設計制造風險[2-3]。

目前常規的地面系統測試主要包括冷態聯試，地面整機試車以及靜態模擬測試。但是冷態聯試、地面整機試車耗費大，周期長，且具有一定安全風險，實施次數較少，無法充分暴露潛在風險。靜態模擬測試取決于初始條件的合理性和全面性，工作量大[4-14]。

為了解決長期在軌航天器易出現故障的推進系統故障常規地面檢測費時費力且無法完全包絡全部故障模式的問題，本文提出了一種長期在軌推進系統故障診斷實時仿真技術方案。依據冷態聯試及整機試車數據建立推進系統實時仿真模型，建立推進系統故障診斷實時仿真測試平臺，對推進系統開展動態測試，充分暴露潛在風險，優化控制策略，提高推進系統長期在軌可靠性。

1 系統結構及原理

一般推進系統作為推力輸出系統，設置有控制單元接收上游系統電磁閥開關機指令以及上游系統管理指令，控制推進系統相關電爆閥、自鎖閥、電磁閥開關，實現推力輸出以及對推進系統出現故障的在軌識別，在軌隔離?；诖?，以控制單元為節點，搭建推進系統故障診斷實時測試平臺[15-16]。

推進系統故障診斷實時測試平臺系統(以下簡稱：測試平臺)基于C/S架構并采用模塊化設計，針對測試平臺的需求開發而成，基于二維視景軟件及VeriStand仿真軟件、LabView軟件從上位機控制模型創建、測試時序定制、推進系統仿真模型建立等方面建立起實時仿真環境并提供必要的硬件接口資源，測試平臺拓撲圖參見圖1，此平臺具備兩大測試模式：

圖1 測試平臺拓撲圖

1)由上位機、推進系統控制單元及模擬負載設備一起構成閉環系統，進行純模型的實時數字仿真，完成對推進系統控制單元相關故障策略的測試及驗證，以下簡稱RCP模式；

2)上位機、推進系統控制單元及真實負載設備一起構成閉環系統，進行硬件在回路仿真，完成對推進系統控制單元硬件回路測試及驗證，以下簡稱HIL模式。

測試平臺如圖2所示，由4個相對獨立的部分組成，各部分功能概述如下：

圖2 測試平臺總體架構圖

1)上位機實時測試平臺：由上位機、顯示器、測試平臺軟件、LabviewRT實時控制模型及1553通信板卡組成。其中測試平臺軟件包括：二維視景軟件、LabView模型編輯軟件、VeriStand監控軟件。實時控制模型模擬上游系統相關指令，并通過1553通信與推進系統控制單元進行交互；

2)推進系統控制單元：控制單元真件，作為推進系統控制策略實施，指令轉發，閥門供電等功能的節點單機，為測試平臺主要測試對象；

3)推進系統等效器：運行LabViewRT實時推進系統模型，由仿真機機箱、仿真機處理器、推進系統實時模型、模擬量采集、模擬量輸出板卡、真實負載(電磁閥、自鎖閥、加熱器、電爆閥、壓力傳感器、熱敏電阻，選連)等組成；

4)電源系統：由電源適配箱、電源匯接面板組成，為上位機實時測試平臺、推進系統控制單元、推進系統等效器等提供220 V交流電源及28 V直流電源，確保系統正常運行。

2 系統硬件設計

測試平臺的硬件主要包括上位機實時測試平臺、負載模擬設備以及供配電等幾大部分。

2.1 上位機實時測試平臺

上位機實時測試平臺同時運行二維視景軟件、LabView模型編輯軟件及VeriStand軟件，具備測試序列編輯、模型搭建及運行、二維視景監控、模型編譯下載等功能。其中上位機選用戴爾T5810型號，操作系統選擇Windows7 64位版本，與其他分系統間通過網線交互。實時仿真機基于PXIe計算機箱，配備相關處理器卡、通訊板卡等[17-18]。

仿真機機箱選用NI PXI-1042，NI PXI-1042是設計用于各種測試和測量應用的高性能8槽插小尺寸高性能多功能機箱。其同時兼容cPCI和PXI板卡，因此具有較豐富IO板卡選擇余地；系統帶寬最大可以達到132 MB/s。通過編程方式對機箱背板上的觸發路由模塊進行配置，可以輕松地實現觸發器在設備之間的路由。與CompactPCI兼容的機箱具有1個用于設備同步的低抖動10 MHz參考時鐘。

PXIe-8840是一款基于Core i7-5700EQ處理器的高性能嵌入式控制器，是以X86處理器卡為核心構造的，可用于PXI系統。結合2.6 GHz基頻、3.33 GHz雙核處理器和標準配置為4 GB單通道1，600 MHz DDR3 RAM，模型仿真周期在100 μs以內，內存配置為4 GB。因此，該控制器非常適合用于需要大量處理器的模塊化儀器和數據采集應用。

2.2 推進系統等效器

推進系統等效器設備安裝在1個24 U高的機柜中，主要包括等效器主機、等效器上位機、仿真機、負載模擬箱、1臺KVM模塊、1個路由器及其配套電纜。

推進系統等效器設備可使用模擬負載測試電纜連接負載模擬箱模擬電磁閥、自鎖閥、電爆閥及加熱器負載組成快速原型機測試模式(RCP，rapid control prototype)，系統組成結構如圖3所示。

圖3 RCP模式等效器組成

當需要連接真實負載測試時，可使用轉接電纜同時連接模擬負載和真實負載組成硬件在環測試模式(HIL，hardware in the loop)，連接模擬負載和真實負載測試時，系統組成結構如圖4所示。

圖4 HIL模式等效器組成

等效器主機采用CPCI總線結構，內置CPCI電源模塊、控制計算機模塊、數字信號測量模塊、模擬量測量模塊、模擬量輸出模塊、電阻模擬輸出模塊、信號調理模塊等。

等效器可以完成電磁閥、自鎖閥及加熱器的驅動電壓和脈寬采集、壓傳供電電壓采集、壓傳模擬信號以及電阻模擬信號的輸出等功能。使用的主要板卡包括：

1)模擬量采集板卡：選用的模擬量采集板卡采用高速16位ADC，采集精度10 mV，采樣速率：100 kHz，信號輸入范圍：0～5 V，0～10 V，-5～+5 V，-10～+10 V可選，具備總線，供電隔離能力。

2)數字量輸入輸出板卡：推進系統閥門通常為兩大類信號：脈沖信號和電平信號。這兩種信號的共同點是都是位口信號，因而硬件上可以采用通用的數字量輸入輸出板卡實現。采用高速數字隔離器對數字通路電路進行隔離，增強系統抗干擾能力，保護上位機免受現場異常信號的破壞。

3)模擬量輸出板卡：選用的模擬量輸出板卡選用精度為0.1%的高精度電阻實現，電阻模擬精度可達0.1%，模擬電阻范圍可達35 Ω～71 kΩ。

4)電阻模擬板卡：選用的電阻模擬板卡采用12位DAC，DA建立時間40 μs，量程±10 V，具備總線，供電隔離能力。

等效器上位機通過網線與等效器主機以及仿真機通訊，上位機運行用戶界面程序，完成數據顯示、數據處理、用戶操作、故障模擬、流程控制以及數據存儲、數據查詢等功能。

仿真測試機是一臺高性能的PC機，運行LabVIEW RT實時操作系統，具備精確定時性能，閉環控制周期精度可達μs級，推進系統動態特性模型運行在LabVIEW RT實時操作系統下。

測試主機和仿真測試機均運行LabVIEW RT實時操作系統，通過數據交互，形成了一個完整的硬件在環系統，既滿足了實時性的要求，同時也提高了仿真測試器的性能。

負載模擬箱內安裝電磁閥、自鎖閥、電爆閥以及加熱器的模擬件，模擬件集中布局在模擬負載箱中，集成度高、體積小、重量輕，負載模擬箱前面板設置狀態指示燈，便于察看和操作，同時在兩側面板及頂板設計散熱孔，具備良好的散熱功能。

2.3 供配電系統

供配電系統為上位機實時測試平臺、推進劑系統等效器以及推進系統控制單元等提供系統電源，確保系統正常運行。

電源分為設備電源和設備接口電源。

1)測試設備電源：上位機實時測試平臺、推進系統等效器(測試上位機、測試主機、仿真測試機、路由器、串口服務器)等設備的供電電源，由外部220 VAC提供。設備電源與其他部分電源全部隔離。

2)測試設備接口電源：給測試設備的接口電路供電，接口電路用于測試信號調理，接口電源與被測對象的二次電源共地，與測試設備電源隔離，具有可靠地過壓、過流保護功能。

3)器上設備電源：推進系統控制單元的供電電源，為28 VDC。與測試設備電源、測試設備接口電源全部隔離。

3 系統軟件設計

由于測試平臺采用分布式架構設計，軟件主要分為上位機實時測試平臺軟件(綜合管理軟件、二維視景軟件)、推進系統等效器軟件等。

3.1 上位機實時測試平臺軟件

3.1.1 綜合管理軟件

測試系統綜合管理采用NI VeriStand軟件，可同時用于硬件在環模式(HIL)測試系統及快速原型機模式(RCP)系統等實時測試的應用，能提供如主接口通信、數據記錄、激勵生成和I/O配置等必需的常用功能。模擬上游系統完成與推進系統控制單元間的1553通訊，實現對控制單元的外部控制，主要界面如圖5所示。

圖5 綜合管理軟件界面

3.1.2 二維視景軟件

通過二維視景軟件創建推進系統中多個元件的模型，包括氣瓶、貯箱、推力室、自鎖閥、電磁閥、管路等[19-21]。以推進系統控制單元與實時測試平臺間1553B通信數據為輸入，對推進系統各零部組件狀態進行綜合顯示，同時與推進系統等效器相關軟硬件狀態進行比對。對推進系統控制單元以及推進系統在軌狀態進行綜合考核，界面示意如圖6所示。

圖6 二維視景軟件界面

3.2 推進系統等效器軟件

3.2.1 邏輯思路

推進系統等效器測試主機機箱后面板上具有器地連接接口，可以完成電磁閥、自鎖閥及加熱器的驅動電壓和脈寬采集、壓力傳感器供電電壓采集、壓力傳感器模擬信號以及電阻模擬信號的輸出等功能。等效器主機運行LabVIEW RT實時操作系統，測試主機將采集到的電磁閥、自鎖閥及加熱器的驅動狀態等推進系統仿真模型需要的輸入通過中斷的方式傳輸給仿真機下的實時仿真模型。同時通過中斷的方式實時讀取仿真機的模型輸出，根據仿真模型的計算輸出實時操作板卡完成壓力傳感器、熱敏電阻模擬輸出等操作。

推進系統等效器軟件主要由系統監控、閥門加熱器控制顯示、壓力溫度控制顯示以及實時仿真軟件等部分組成。

3.2.2 系統監控

系統監控基于推進系統的原理圖布局，包括電磁閥、自鎖閥、電爆閥、加熱器、壓力傳感器、熱敏電阻等，在測試過程中相應的部件指示燈可以實時顯示部件的工作狀態，其中壓力傳感器的壓力值以及熱敏電阻的溫度值等均可在系統監控界面中顯示，方便查看當前動態系統等效器的工作狀態，同時與實時測試平臺中的二維視景軟件界面進行比對。

3.2.3 閥門加熱器控制顯示

閥門加熱器控制顯示包括電磁閥、自鎖閥、電爆閥以及加熱器的控制顯示功能。軟件按照電磁閥、自鎖閥、電爆閥及加熱器的分類進行分區顯示，顯示及設置內容包括以下幾部分：

1)工作狀態顯示。通過指示燈顯示當前電磁閥、自鎖閥、電爆閥及加熱器的工作狀態，當相應的部件工作時，指示燈亮，顯示為綠色(自鎖閥、電爆閥為脈沖信號，工作狀態保持)，當相應的部件不工作時，指示燈滅，顯示為紅色(電爆閥為一次有效信號)。

2)供電電壓采集顯示。實時顯示當前電磁閥、自鎖閥、電爆閥及加熱器的供電電壓采集數據。

3)脈寬采集顯示。實時顯示當前電磁閥、自鎖閥、電爆閥及加熱器的脈寬采集數據。

4)故障模式設置。可對任意一路電磁閥、自鎖閥、電爆閥和加熱器進行故障設置，故障模式包括打不開、關不斷、斷路等，通過下拉列表即可完成故障模式選擇，選擇完畢后單擊右側的設置按鈕即可完成故障模式設置。

所有的采集數據均自動保存到數據庫中，存儲周期可設置，每12個小時保存一個文件，在硬盤允許范圍內可連續保存，支持數據庫查詢功能。

3.2.4 壓力溫度控制顯示

壓力溫度控制顯示界面包括壓力傳感器以及熱敏電阻的控制顯示功能。軟件按照壓力傳感器和熱敏電阻的分類進行分區顯示，顯示及設置內容包括以下幾部分：

1)壓力、溫度采集顯示。實時顯示當前壓力傳感器和熱敏電阻的采集數據。

2)壓力和溫度設置?？蓪θ我庖宦穳毫鞲衅骰驘崦綦娮柽M行輸出設置，在設置壓力或設置溫度欄中寫入需要設置的壓力值或溫度值，設置完畢后單擊輸出按鈕即可完成設置。

3)故障模式設置?？蓪θ我庖宦穳毫鞲衅饕约盁崦綦娮柽M行故障設置，故障模式包括斷路、超限、無變化等，通過下拉列表即可完成故障模式選擇，選擇完畢后單擊右側的設置按鈕即可完成故障模式設置。

所有的采集數據均自動保存到數據庫中，存儲周期可設置，每12個小時保存一個文件，在硬盤允許范圍內可連續保存，支持數據庫查詢功能。

3.2.5 實時仿真軟件

實時仿真軟件包括仿真模型選擇、參數設置、實際壓力和控制壓力顯示圖、實際溫度與控制溫度顯示圖、仿真工作記錄等功能?？赏ㄟ^仿真模型選擇下拉列表選擇需要仿真的模型。參數設置主要對實時仿真模型中的參數進行設置，包括通道選擇、控制目標值、控制初始值、超限范圍、偏低范圍、常值、控制周期、模擬時間以及采樣間隔設置等。參數設置完畢后，單擊開始模擬按鈕即開始實時仿真。實際壓力與目標壓力顯示圖實時當前目標壓力和實際控制壓力的變化曲線圖。實際溫度與目標溫度顯示圖中實時當前目標溫度和實際控制溫度的變化曲線圖。動作記錄表格記錄實時仿真過程中的工作記錄，包括仿真開始時間、參數設置值、部件動作記錄等，部件動作記錄包括電磁閥、自鎖閥、電爆閥及加熱器的開啟時間、開啟脈寬等。

4 關鍵技術驗證與實現

4.1 測試平臺實時聯合仿真技術

測試平臺實時性的要求主要體現在推進系統等效器實時接收來自上位機的電磁閥、自鎖閥、電爆閥以及加熱器開關脈寬采集并反饋給推進系統實時仿真模型，隨后推進系統實時仿真模型基于此完成推進系統壓力傳感器、熱敏電阻數據隨時間的變化數據，反饋給推進系統等效器輸出板卡，供推進系統控制單元采集開展推進系統故障在軌診斷。

為確保整個測試平臺實時性要求，上位機實時測試平臺采用LabviewRT系統完成控制模型的搭建，實現上游系統的控制指令及管理指令實時發送給推進系統控制單。

為確保整個測試平臺實時性要求，推進系統等效器采用雙RT實時系統的方法。

等效器主機運行LabVIEW RT實時系統，設備的各類板卡也安裝在等效器主機下。首先通過測量板卡實時測量電磁閥、自鎖閥及加熱器等指令的電壓和脈寬，測量的同時實時的將測量值反饋給仿真測試機。

推進系統實時仿真模型運行在仿真機上，讀取實時接收模型所需的輸入，經過驗證，兩個系統在通訊過程中，從寫入數據-寫中斷-讀中斷-讀取數據，整個閉環過程時間用時穩定在1 ms左右，不超過2 ms。當推進系統仿真模型計算完畢后再通過反射內存卡將模型輸出反饋給測試主機，測試主機讀取仿真模型的輸出用于各種負載的模擬。

由于兩臺主機均運行在實時系統下，相互間進行數據交互，測試主機和仿真測試機形成了實時的硬件閉環系統，確保了定時的準確性和實時性。

4.2 故障模擬技術

4.2.1 電磁閥/自鎖閥/電爆閥故障模擬

電磁閥/自鎖閥/電爆閥故障主要包括打不開、關不斷故障。針對閥門打不開的故障傳統測試方案采用斷開閥門連接電纜進行模擬，但關不斷的故障模式無法模擬。

正常工況測試中，推進系統控制單元接收上游系統控制指令發出電磁閥、自鎖閥以及電爆閥控制信號，推進等效器通過板卡對電磁閥、自鎖閥及電爆閥的控制信號驅動電壓和脈寬進行采集，將控制信號信息傳遞給推進系統仿真模型，仿真模型通過計算各處閥門動作后相應壓力傳感器的變化反饋推進系統控制單元。

測試平臺進行故障模擬時不需要斷開相關電纜，僅需要在推進系統等效器的上位機界面設置閥門故障模式為打不開/關不斷，等效器將故障下的控制信號信息傳遞給推進系統仿真模型即可改變相應壓力傳感器數據，設置界面如圖7所示。

圖7 電磁閥、自鎖閥、電爆閥故障設置

當設置閥門故障狀態為打不開時，通過軟件將反饋給閥門的供電狀態設置為閥門不供電，實現閥門打不開的故障模擬功能。

當設置閥門故障狀態為關不斷時，通過軟件將反饋給閥門的供電狀態設置為閥門供電，實現閥門關不斷的故障模擬功能。

4.2.2 壓力傳感器故障模擬

壓力傳感器故障模擬壓力傳感器的異常故障，該功能選用高精度模擬量輸出板卡實現，通過控制DA板卡模擬壓力傳感器的模擬信輸出，可模擬實現壓力傳感器斷路、壓力傳感器輸出超限、壓力傳感器輸出無變化等故障，輸出信號再經過接口調理箱的隔離調理后輸出到控制單元，同時通過AD板卡采集壓力傳感器的供電狀態，設置界面如圖8所示。

圖8 壓力傳感器故障模擬功能實現

4.2.3 熱敏電阻故障模擬

熱敏電阻故障模擬熱敏電阻的異常故障，該功能選用高精度電阻模擬板卡實現，通過控制電阻模擬板卡模擬熱敏電阻的輸出，可模擬實現熱敏電阻斷路、熱敏電阻輸出超限、熱敏電阻輸出無變化等故障，輸出信號再經過接口調理箱的隔離調理后輸出到控制單元，設置界面如圖9所示。

圖9 熱敏電阻故障模擬功能實現

4.2.4 加熱器故障模擬

加熱器故障包括打不開、關不斷故障，兩種故障均采用軟件模擬實現，設備采集加熱器的供電電壓和脈寬，并將采集的閥門供電狀態反饋給動態模型仿真算法，設置界面如圖10所示。

圖10 加熱器故障模擬功能實現

當設置加熱器故障狀態為打不開時，通過軟件將反饋給加熱器的供電狀態設置為加熱器不供電，實現加熱器打不開的故障模擬功能。

當設置加熱器故障狀態為關不斷時，通過軟件將反饋給加熱器的供電狀態設置為加熱器供電，實現加熱器關不斷的故障模擬功能。

4.2.5 隨機故障模擬

針對在軌故障發生的隨機性及偶然性，為充分測試推進系統控制策略對故障的識別，隔離的準確性和正確性。設計隨機故障模擬功能，實現自鎖閥、電磁閥、電爆閥、加熱器的故障模擬隨機出現在測試工作的任意時刻，對推進系統控制單元在軌故障診斷策略進行地面測試。

5 結束語

基于少量推進系統冷態聯試，整機試車獲得的系統性能數據，建立推進系統實時仿真模型。依托實時仿真模型，建立長期在軌推進系統故障診斷實時仿真測試平臺，對推進系統控制單元在軌故障診斷策略進行純數字，硬件在環仿真優化。節約了大量常規地面測試成本，同時可在航天器在軌處置故障工作中，對處置預案進行地面驗證，支持故障處置方案的制定。