高品質航天伺服產品及其實現途徑探索

黃玉平，崔佩娟，安林雪，楊 磊，傅 捷

（1. 北京精密機電控制設備研究所，北京，100076；2. 航天伺服驅動與傳動技術實驗室，北京，100076）

0 引 言

中國航天伺服技術經過六十余年的發展，從面向航天領域逐步拓展到航空、航海、新能源、醫療康復等多個領域。面對未來的機遇和挑戰，總結過往經驗，本文提出了航天伺服產品發展的3個階段，并對實現第3階段目標給出了探索途徑，為伺服技術的創新發展提供參考。

1 航天伺服技術發展歷程

伺服機構是輸出量為機械位移或其導數（速度、加速度或力）且以放大的功率復現輸入量運動的一類反饋控制裝置。

在航天領域，伺服機構與其驅動、控制的航天器操縱力矩產生裝置（如可擺動的火箭發動機或發動機噴管等）一起構成飛行器姿態控制、軌跡控制、射程控制或機動飛行的執行機構。伺服機構按彈（箭）上控制裝置發來的低功率指令，大幅度提高功率水平，精確定位操縱裝置，產生作用于飛行器的俯仰、偏航、滾動操縱力矩，實現消除飛行器姿態偏差的運動。伺服機構驅動操縱裝置實現飛行器飛行姿態控制有推力矢量控制、空氣動力控制、直接力控制3種形式。

航天伺服技術是典型的戰略新技術，不同的體制機制下有不同的發展路徑。西方國家的航天伺服技術有明顯的集約性，協作面廣，協作配套性強，飛行控制執行技術（包括推力矢量控制、空氣動力控制）、伺服作動技術、伺服能源技術、伺服測量控制技術等一般均由不同的公司獨立承制，由負責飛行控制執行系統技術的公司抓總。中國航天伺服技術的發展路徑是集中優勢發展關鍵技術，形成了飛行控制執行系統技術、伺服作動技術、伺服能源技術、伺服測量控制技術主要由同一單位承擔、完成的模式。

以北京精密機電控制設備研究所為主的中國伺服技術研發機構，堅持以飛行控制執行技術研究和伺服新產品研發、伺服系統研制生產為主業，在電動液壓舵機技術、搖擺發動機推力矢量控制電液伺服技術、機械反饋電液伺服機構技術、引流發動機燃料電液伺服技術、渦輪泵式燃氣電液伺服技術、三余度電液伺服技術、數字式電液伺服技術、飛行器空氣動力控制伺服技術、中大功率機電伺服系統技術中取得了較大突破，如圖1所示，形成了包括飛行控制執行技術、智能機器技術、大功率電驅動技術、特種電源技術、先進制造技術的5大優勢領域，建立了較為完整的、適應中國國情的航天飛行控制執行專業技術體系和協作配套體系，伺服產品功能指標總體處于世界先進水平，支撐了中國主要航天工程建設，并拓展應用于艦船、飛機、機器人、新能源、環保、醫療康復器械等領域，形成了良好的發展局面。

圖1 伺服專業技術九大臺階 Fig1 Nine Steps of Servo Technology

2 高品質航天伺服產品的內涵與發展特質

結合中國航天伺服技術的發展特質，可將航天伺服產品的發展分為3個階段，如圖2所示。

圖2 中國航天伺服產品階段發展構想 Fig.2 Aerospace Servo Product Stage Development Concept of China

高品質航天伺服產品的3個核心要素具體為：a）穩定性，有兩個維度，時間維度，即在全生命周期內，產品隨環境、工況等發生或正向、或負向的特性改變的程度，偏離預期的程度越小（不論正向、負向），產品品質越高；設計維度，即存在未設計到的特性、設計不合理、設計到但制造達不到等原因而引起的性能變化，變化越小，品質越高。b）一致性，是從產品維度來說的，即設計、工藝相同的產品性能指標的偏差大小和分布，將偏差控制在可接受的高水平，使設計與生產的性能趨向目標值，而不是趨向公差界限值。c）可靠性，反映產品的使用特性，與穩定性與一致性息息相關，依托涵蓋理論、技術、工藝、制造、標準規范、測試方法、評估等全要素的先進設計研制體系的構建、發展與積淀。

目前，中國航天伺服產品已基本實現了第1階段，正在向第2、第3個發展階段邁進。

3 航天伺服產品高品質實現的途徑初探

航天伺服技術是動力技術、傳動技術、控制技術、測量技術和信息處理技術的緊密綜合，航天伺服產品是將火工、流體、機械、電力、電磁、電子、材料、制造技術高度一體化的高技術產品。要實現以“穩定性、一致性、可靠性”為表征的高品質，可從加強基礎研究，向數字化研發體系轉型，開發飛行控制執行新原理、新技術等3個方面進行嘗試。

3.1 加強基礎研究是發展高品質航天伺服產品的關鍵

伺服產品在向高品質看齊的過程中，不再只關注功能指標的提升，更關注伺服產品內部各結構在外載荷影響下如何發生相互作用、在微觀層面發生哪些變化、如何導致宏觀層面能量的聚集與耗散，以及如何影響伺服系統整體性能穩定性、一致性。一方面，需要深入機理研究，強化理論表達；另一方面，緊抓影響性能提升的核心問題，拓寬放遠視野，加強關鍵技術攻關。

3.1.1 高品質伺服產品的生成必須建立在對其內部運行機理深入與精準認識的基礎之上

伺服產品作為一類復雜機電裝備，一方面，受到熱、磁、振動等外在環境因素的影響，內部還存在力、熱、電、磁等多場大量非線性、不確定性因素，強弱因素交織耦合，另一方面，產品自身在特定環境、工況等條件下隨時間必然會發生物理或化學特性的改變，并由此帶來外輸出特性的變化。

以伺服產品用螺旋傳動機構在長貯后性能演化機理問題為例，會涉及介質、界面、機構等不同層面的基礎科學問題，如長貯伺服傳動機構潤滑性能退化表征問題、脂潤滑滾動螺旋傳動界面摩擦與運動特性問題、狀態評估與監測問題等，再進一步地挖掘上述基礎問題，以脂潤滑滾動螺旋傳動界面摩擦與運動特性問題為例，可進一步分解出多個基礎問題及相應的關鍵技術，包括啟停重載摩擦學問題、閃溫與穩態熱問題、系統動態響應問題等，與之對應的需要攻關突破脂潤滑界面瞬態混合潤滑分析方法、界面閃溫及熱平衡分析方法、跨尺度激勵下系統動力學分析等關鍵技術。上述的問題及與之相關的機理探究，都需要充分保障好資源、集智攻關，扎實開展基礎研究工作。

3.1.2 緊跟技術發展突出問題導向的基礎研究是航天伺服技術突破的重要途徑

瞄準長期制約發展的基礎性問題，需要拓寬放遠視野，突出問題導向，加強關鍵核心技術攻關。

如伴隨微納技術的快速發展，針對航天伺服產品的滾動螺旋傳動機構實時狀態監測問題，結合高性能異質異構溫度、振動、超聲3類核心微納傳感器，通過構建多參量分布式微納傳感監測系統，形成新型滾動螺旋傳動機構工作狀態無線監測新方法，實現微納傳感節點的無線數據傳輸與遠程監測，可為伺服傳動機構性能評估與提升提供理論基礎與數據支撐；如為了發展高功率密度容錯伺服電機及驅動系統，伺服電機及驅動系統需要承受頻繁的瞬變大電流沖擊，這將有可能引發電機及驅動系統故障，從而使伺服系統功能喪失，嚴重影響系統及任務可靠性，針對該問題可以在現有斷相容錯控制技術基礎上，進一步結合永磁同步電機磁系統退化對電機性能的影響機理、永磁容錯伺服電機系統斷路故障檢測方法、永磁電機伺服系統容錯拓撲的優化設計、永磁電機伺服系統的高精度建模等基礎研究工作，探究適應于伺服工況下的電機驅動系統故障診斷方法實現對故障的準確快速的診斷，并結合現有容錯伺服電機系統方案，進一步優化和改進控制算法，有效支撐航天伺服系統的高可靠要求。

3.2 數字化研發體系轉型是發展高品質航天伺服產品的基石

傳統的以追求“功能/性能指標達成性”為目的的設計模式已無法滿足技術發展的要求。因此必須實施數字化研發體系轉型，以模型為核心，在數字域充分探究伺服產品底層運行機制，全面考察內、外因素耦合影響規律，同時，在設計之初即同步開展多學科仿真與虛擬試驗，加快設計-驗證-優化迭代周期，在保證高效率的同時追求高品質。向以“模型”為核心的數字化研發體系轉變，就是要對設計、試驗、生產制造各階段進行數字化轉型，在伺服大系統設計、多學科聯合仿真與設計優化、優質制造等方面發力，通過模型表達設計理念、展示系統架構、傳遞設計參數。

3.2.1 伺服大系統設計

伺服大系統是指將輸入指令、工作環境、負載對象全部納入伺服系統設計范圍。如此，原本作為伺服系統外部特性的隨機輸入量，就可轉化為飛行器大系統可優化的一個內部狀態變量。當飛行器大系統進行方案設計優化時，將伺服大系統也作為其中的設計優化環節，從而進一步提升伺服系統乃至整個飛行器的性能。文獻[1]是美國空軍火箭推進實驗室在1972年發布的先進推力矢量控制初步設計計算機程序。該程序實現了從飛行軌跡設計與評估、推力與控制力計算、控制執行系統方案設計到最終飛行器大系統性能預測的自動化設計流程。其中，控制執行方案設計的對象包括幾乎所有執行機構：液體噴射推力矢量控制（Liquid Injection Thrust Vector Control，LITVC）、熱氣推力矢量控制（Hot Gas Thrust Vector Control，HGTVC）、常平座、球窩噴管、柔性接頭、噴氣檔板、空氣動力面等。

從公開報道來看，美國飛行器性能很好，但對伺服的要求卻不算高，間接證明該程序在優化設計方面發揮了作用。因此，在設計階段進行數字化轉型時，以伺服大系統為研究對象開展需求分析和方案設計，構建參數化模型，參與飛行器大系統方案設計優化迭代，實現對伺服系統功能、性能、品質的進一步提升。

3.2.2 多學科聯合仿真與設計優化

由前述可知，伺服系統是一個涉及電、磁、力、熱、液、控等多個學科領域的復雜強耦合系統，高性能伺服回路的設計是一個極為復雜的問題。以機電伺服控制回路設計為例，當前的典型設計流程見圖3。

在圖3第3步時，一般總能尋找到合適的控制算法和參數，使系統滿足任務指標，完成一輪方案設計。但通常情況下，這并非最優設計。要使方案在伺服系統設計邊界內最優，多數情況下需對控制回路內的硬件（即控制對象）進行優化。錢學森曾對伺服回路硬件優化設計問題提出過著名論斷：“在伺服機構的工程實踐中，如何通過修改系統的物理元素來實現傳遞函數中的這些預期變化，還只是一門藝術”[2]。但隨著電子技術、信息技術、計算技術和控制技術的不斷發展，以及對伺服系統內物理元件的機理、性能、相互作用的理解不斷深入，將“藝術”變為“科學”成為可能。

圖3 當前伺服控制回路設計典型流程 Fig3 Typical Flow of Servo Control Loop Design

2017年北京精密機電控制設備研究所、哈爾濱工業大學、北京理工大學在國防基礎科研項目支持下，開展了新型伺服系統多學科聯合仿真與設計優化技術研究，突破了伺服系統多學科融合建模技術、伺服系統自適應近似優化[3]等主要關鍵技術，構建了伺服系統多學科聯合仿真與設計優化演示平臺[4]，設計優化原理見圖4，實現了控制、電力電子、電磁、動力學4個學科的協同仿真，可以大幅度縮短產品設計周期。

圖4 伺服系統多學科聯合仿真與設計優化原理 Fig.4 Schematic of Multidisciplinary Integration Simulation and Design Optimization of Servo System

雖然此項研究為伺服系統設計效率的提升奠定了基礎，但對于多目標、多約束設計問題，多數情況下仍然不能以解析方式得出系統最優解。主要原因在于，構建的多學科聯合仿真模型仍然不夠細致，現有模型參數不足以完整描述系統性能。

因此，在對設計方案進行迭代優化與驗證的數字化轉型過程中，要注重對伺服系統底層運行機制的深入挖掘，構建基于設計參數的多學科多物理跨尺度耦合模型，同時充分利用智能算法、高性能計算技術，積極探索復雜系統多物理模型統一解算方法和多目標優化算法，實現將“藝術”變為“科學”。

3.2.3 優質制造

伺服產品高品質的實現，與制造過程的質量控制緊密相連。《中國制造2025》[5]指出，將質量作為建設制造強國的生命線，林忠欽院士提出了“優質制造”的概念并對其內涵、特征進行了定義，突出強調了需要面向產品全生命周期，綜合應用大數據技術、智能技術、工藝優化技術等共性關鍵技術[6]。

在此大背景下，航天伺服產品在制造方面，針對當前存在的設計制造串行、系統設備孤立、生產制造模式落后、數據不能互通共享等現狀，探索以數字科技支撐航天智能研制的新模式，以研制+生產大數據聚集為核心、全過程數據驅動為手段，打通運行管理、設計、生產、驗證各環節，以期基于數據智能分析達到設計、生產、驗證各環節過程迭代優化，打造智能研究所智慧化管理新范式。同時，需要研究設計生產制造一體化實現過程中存在的問題，搭建專家知識庫和經驗數據庫，挖掘具有指導意義的理論、方法及流程，形成基于設備的工藝參數優化方法，并使知識庫具備參數化和智能化的功能，在設計制造與驗證中實現人機融合，對積累的文檔進行評估，歸納總結在實操過程中的有效方法，使之能夠形成數據庫與人工智能相結合。智慧+研究所層級架構如圖5所示。

圖5 智慧+研究所層級框架 Fig.5 Framework Diagram of Intelligence Plus Institute

3.3 探索飛行控制執行新原理是實現航天伺服產品超越發展的有效途徑

對標航天強國要求，中國規劃了一系列重大航天工程：重型運載火箭、天地往返運輸系統、在軌服務、深空探測等。飛行器技術的跨越式發展對伺服產品創新形成強勢牽引，對伺服技術的性能指標、環境適應性、可重復使用性、智能化程度等提出了極高要求，例如未來先進飛行器的飛控執行將由目前單一的空氣動力控制或推力矢量控制向結合變形機構、直接力控制等的多元復合控制發展，其中變形執行機構技術涉及多專業的深度融合，基于當前原理的主流技術方案已難以實現指標要求，

立足航天伺服核心專業和飛控執行發展趨勢，圍繞航天跨代式裝備對伺服機構提出的動態響應、比功率、精度、噪音等高功能指標需求以及寬域瞬變環境下的低沖擊應力等高性能指標需求，探索航天伺服新概念和新技術，從技術原理創新、顛覆應用創新等維度，探索與現有伺服機構具有本質特征不同的新型伺服機構機理與方法，開展架構、原理、算法、材料、器件、工藝等方面的技術研究，自主創新，在動靜態精度、輕質化等功能指標、使用性、環境適應性等性能指標方面取得質的突破，并增強對于輸入、負載以及環境的不確定性的處理能力。

4 結束語

本文對航天伺服技術的發展及其高品質實現途徑進行了綜述。重型運載火箭、天地往返運輸系統、在軌服務、深空探測等一系列重大航天工程的建設對伺服產品創新形成強勢牽引。未來飛行器將更加多功能化，必然對伺服技術的性能指標、環境適應性、可重復使用性、智能化程度等提出更高的要求，也為伺服技術的可持續發展提供了機遇和挑戰。