郭堅(jiān) 陳燕 邵興國

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

當(dāng)前航天器上廣泛采用的熱控措施大致分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩大類。被動(dòng)式熱控制［1］是一種開環(huán)式控制，主要依靠合理布局和選用具有適當(dāng)熱物理性能的材料和結(jié)構(gòu)及比較簡單的熱控裝置來組織換熱過程，它的特點(diǎn)是簡便易行，但不具備自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的能力。主動(dòng)式熱控制則是閉環(huán)式控制，這類熱控裝置通常由溫度敏感器、控制器和執(zhí)行裝置三部分組成，如恒溫電加熱器、熱控百葉窗、接觸式熱開關(guān)等。它們的特點(diǎn)是被控對象的溫度信息可以反饋到控制器與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較，然后根據(jù)差值命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制［2］。熱控自主管理是主動(dòng)式熱控的主要表現(xiàn)形式，也是熱管理技術(shù)的重要發(fā)展方向，熱控自主管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要因素是智能控制策略及其實(shí)現(xiàn)方法。

本文分析了目前最常用的電加熱器熱控智能控制策略的實(shí)現(xiàn)方法，介紹了百葉窗熱控和流體回路熱控自主管理智能控制策略的實(shí)現(xiàn)方法，在此基礎(chǔ)上，提出了熱控自主管理智能控制技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法的發(fā)展趨勢。

2 常用熱控自主管理控制策略

電加熱器熱控是目前最常用的熱控自主管理實(shí)現(xiàn)方式，在大部分衛(wèi)星上都已采用。早期衛(wèi)星對電加熱器的控制是采用實(shí)時(shí)的遙控指令，而沒有自主管理方式，隨著嵌入式計(jì)算機(jī)在星上的應(yīng)用，對電加熱器的控制逐漸發(fā)展為自主控制和遙控同時(shí)存在。圖1是一個(gè)典型的電加熱器自主管理的示意圖。

圖1 電加熱器形式熱控自主管理設(shè)備連接示意圖Fig．1 Connecting sketch map of thermal autonomous management equipment using electric heater

圖1中，溫度敏感器為熱敏電阻（部分場合也可能采用熱電偶等傳感器），也包括進(jìn)行溫度遙測和開關(guān)遙測的采集設(shè)備，即遙測采集及指令輸出設(shè)備；驅(qū)動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)器、安全開關(guān)、指令輸出設(shè)備，控制器由若干加熱器開關(guān)組成，以提供驅(qū)動(dòng)加熱器的大電流。加熱器開關(guān)分兩類：一類是機(jī)電式繼電器，另一類是電子開關(guān)，后者用于開／關(guān)次數(shù)頻繁的加熱器。對于自主管理的實(shí)現(xiàn)，目前有兩種實(shí)現(xiàn)方法：一種是將自主管理計(jì)算機(jī)、遙測采集及指令輸出設(shè)備合并，一般稱之為熱控儀；另一種是將二者分開，控制器由數(shù)管分系統(tǒng)的中心計(jì)算機(jī)（CTU）承擔(dān)，遙測采集及指令輸出由數(shù)管分系統(tǒng)的遠(yuǎn)置單元（RTU）承擔(dān)。其中后一種方案在大衛(wèi)星上應(yīng)用廣泛，前一種方案在小衛(wèi)星上應(yīng)用較多。

熱控自主管理的自主性主要由自主管理計(jì)算機(jī)體現(xiàn)，目前自主管理的算法均由軟件實(shí)現(xiàn)，根據(jù)溫度上下限進(jìn)行控制，當(dāng)?shù)陀跍囟认孪迺r(shí)控制加熱器接通，當(dāng)高于溫度上限時(shí)控制加熱器斷開，如圖2 所示。其中，主份回路的控溫范圍比備份回路窄，因此只有在主份加熱回路失效時(shí)備份加熱回路才會(huì)啟動(dòng)。

圖2 加熱器控制規(guī)律Fig．2 Control law of heater

經(jīng)過多年的發(fā)展，熱控管理的自主性逐步加強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)的算法也越來越復(fù)雜。下面舉例說明熱控自主管理控制策略的實(shí)現(xiàn)方法。

某衛(wèi)星共有96個(gè)電加熱回路，圖3是該衛(wèi)星熱控自主管理軟件的一個(gè)簡化的流程。對圖3的補(bǔ)充說明如下：

（1）熱控自主管理功能的啟動(dòng)和每個(gè)回路的自主控制使能均可由地面遙控指令設(shè)置。

（2）每個(gè)回路均有兩個(gè)熱敏電阻對溫度進(jìn)行采集，熱控自主管理時(shí)取其中之一的值作為該回路溫度值（為了防止熱敏電阻故障，對每個(gè)熱敏電阻的溫度值規(guī)定了合理值范圍，當(dāng)超出合理值范圍時(shí)將剔除），熱敏電阻的選擇可由地面遙控指令改變，某些回路可能采用多個(gè)熱敏電阻測量值取平均作為判據(jù)，還有某些回路可能采用幾個(gè)熱敏電阻的溫度差作為判據(jù)。

（3）有兩組閾值，分別對應(yīng)于衛(wèi)星處于陰影區(qū)和光照區(qū)，熱控自主管理軟件可根據(jù)電源管理軟件給出的“進(jìn)影”和“出影”信號，選擇其中一組閾值作為當(dāng)前的閾值；也可根據(jù)地面遙控指令來選擇當(dāng)前的閾值（某些衛(wèi)星為了適應(yīng)不同的空間環(huán)境，還設(shè)計(jì)了多種工作模式，每種模式開啟的回路、采用的閾值均不相同）。

（4）每個(gè)回路的閾值分為高溫閾值和低溫閾值，高于高溫閾值表示溫度太高，需發(fā)送回路斷開的指令（當(dāng)回路為接通狀態(tài)時(shí)）；低于低溫閾值表示溫度太低，需發(fā)送回路接通的指令（當(dāng)回路為斷開狀態(tài)時(shí)）。

（5）為防止干擾引起誤判，需對每個(gè)回路的溫度值采3次、判3次，3次均超過閾值才認(rèn)為需要進(jìn)行控制（某些衛(wèi)星針對不同回路的特點(diǎn)，設(shè)置了兩種控溫周期，采集和控制的頻率不同）。

（6）為提高可靠性，對被控對象都采取主備兩個(gè)加熱回路，其中主加熱回路的閾值范圍更窄，因此當(dāng)主加熱回路發(fā)生故障時(shí)，溫度超出主加熱回路的閾值范圍，達(dá)到備份加熱回路的閾值時(shí)，備份加熱回路自動(dòng)啟動(dòng)。

（7）熱控自主管理軟件的所有運(yùn)行狀態(tài)，所需參數(shù)（如使能否、閾值、所用熱敏電阻等等）均作為重要數(shù)據(jù)通過星載數(shù)據(jù)總線保存到其他設(shè)備中，一旦軟件所在的計(jì)算機(jī)復(fù)位，能夠立即恢復(fù)這些數(shù)據(jù)，以保持自主管理的連續(xù)性。

圖3 衛(wèi)星A 熱控自主管理控制策略簡化流程Fig．3 Simplified flow of thermal autonomous management strategy for satellite A

熱控百葉窗也是衛(wèi)星的主動(dòng)熱控手段之一，它的調(diào)控能力強(qiáng)，工作性能穩(wěn)定［3］。電加熱器實(shí)現(xiàn)對設(shè)備加熱，百葉窗則主要通過對陽光的遮擋調(diào)節(jié)外部輻射，來實(shí)現(xiàn)降溫。百葉窗式熱控自主管理的控制算法和電加熱式自主管理相似，主要是控制閾值的差別：電加熱式自主管理一般要求溫度控制在一個(gè)范圍內(nèi)，如-10～＋30 ℃，當(dāng)設(shè)備處在該范圍內(nèi)時(shí)不需要控制；而百葉窗式自主溫控要求溫度控制在一個(gè)點(diǎn)，例如20 ℃，當(dāng)不在這個(gè)點(diǎn)上就需要進(jìn)行控制。此外，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由加熱器變?yōu)榭刂瓢偃~窗的電機(jī)（通常為步進(jìn)電機(jī)）；敏感器除溫度傳感器外，還有測量角度的傳感器等。

有些航天器上采用了對流體回路熱控［4］進(jìn)行自主管理的方法。其執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有泵、截止閥、溫控閥等，控制器主要通過控制這些驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)溫度，實(shí)現(xiàn)熱控自主管理。對泵的控制主要是通過采集泵的壓力和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)當(dāng)其超過一定門限時(shí)進(jìn)行報(bào)警。溫控閥則根據(jù)測量的溫度值與閾值進(jìn)行比較，當(dāng)連續(xù)超出一段時(shí)間時(shí)，進(jìn)行開啟和關(guān)閉操作，溫控閥的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般也采用步進(jìn)電機(jī)，控制器通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)溫控閥。

3 熱控自主管理智能控制技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法的發(fā)展趨勢分析

近年來，隨著熱控自主管理技術(shù)在航天器上的應(yīng)用正朝著更廣和更深的方向發(fā)展，其智能控制技術(shù)也取得了較大的發(fā)展，預(yù)計(jì)在不久的將來還會(huì)有以下一些發(fā)展趨勢：

1）自主管理的熱控回路數(shù)量還將增加

隨著衛(wèi)星規(guī)模和復(fù)雜度的提高，星上對溫度敏感的精密儀器也越來越多，使得自主管理的熱控回路數(shù)量也在不斷增加。例如在早期衛(wèi)星上的自主熱控回路在10路左右，近期發(fā)射的衛(wèi)星的自主熱控回路數(shù)都在100路左右，預(yù)計(jì)今后的大型航天器上的自主管理加熱回路數(shù)還會(huì)增加。

2）自主管理的精確化和智能化要求越來越高

隨著許多新載荷的使用，對某些溫度要求非常嚴(yán)格的載荷設(shè)備，要求提供更加精確的控溫算法，如采用比例微分積分（PID）調(diào)節(jié)算法，采用對加熱開關(guān)實(shí)現(xiàn)脈沖控制且脈寬和占空比可任意調(diào)節(jié)的算法等等。對百葉窗的控制也將采用許多更加優(yōu)化的算法，如免疫遺傳算法［5］等等。

在智能化方面，航天器的主動(dòng)式熱控最初完全依賴遙控，發(fā)展到今天，已實(shí)現(xiàn)了自主管理為主，遙控為輔的階段。未來的熱控自主管理不僅要實(shí)現(xiàn)短期的正常情況下的自主管理，還要支持航天器長期的無人干預(yù)情況下的在軌自主運(yùn)行［6］，這就需要根據(jù)不同的運(yùn)行環(huán)境自動(dòng)調(diào)整自主管理的算法，調(diào)整各個(gè)回路的狀態(tài)等等；此外，還需針對各種故障情況做出正確的判斷，具備在軌故障診斷和自動(dòng)修復(fù)能力。例如，需根據(jù)能源系統(tǒng)的電能儲(chǔ)備情況選擇“節(jié)能模式”還是“全工作”模式；需針對整星的某些應(yīng)急情況對回路進(jìn)行開關(guān)操作等等。這就需要將熱控自主管理納入整個(gè)航天器的自主管理框架中，和整星的其他智能自主管理相結(jié)合，從總體的高度，建立航天器智能自主管理模型。這種自主管理模型在國外已得到了應(yīng)用，我國也開展了相關(guān)的預(yù)研工作。圖5是在借鑒美國深空一號（Deep Space-1，DS-1）等國外先進(jìn)的航天器智能管理體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出的適用于我國航天器的集中與分布式管理相結(jié)合的多代理協(xié)作航天器自主管理體系結(jié)構(gòu)。

圖4 集中與分布式管理相結(jié)合的多代理協(xié)作航天器自主管理體系結(jié)構(gòu)Fig．4 Multi-agent spacecraft autonomous management architecture integrated concentration with distribution

3）自主管理的控制器從獨(dú)立設(shè)備走向與數(shù)管計(jì)算機(jī)的融合

早期的熱控自主管理的控制器由專門的熱控儀實(shí)現(xiàn)，其功能較為單一。隨著星載數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)［7］在衛(wèi)星上的普及，采用數(shù)管分系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)熱控自主管理功能正成為一種趨勢。這主要基于以下幾方面的原因：

（1）數(shù)管計(jì)算機(jī)的性能較高，運(yùn)算處理能力比較強(qiáng)，增加熱控自主管理功能不會(huì)增加太多的工作量；

（2）數(shù)管分系統(tǒng)已具備的某些功能與熱控儀實(shí)現(xiàn)的功能非常相似，例如數(shù)管分系統(tǒng)具有遙測采集和指令發(fā)送功能，這和熱控儀的溫度采集、回路狀態(tài)量采集以及加熱回路開關(guān)控制功能非常相似，而熱控自主管理的算法由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，數(shù)管計(jì)算機(jī)的功能相對熱控儀更加強(qiáng)大，完全勝任自主熱控的算法；

（3）今后熱控自主管理不再是獨(dú)立工作，而是作為航天器自主管理中的一個(gè)環(huán)節(jié)，和其他自主管理功能結(jié)合起來，這需要和其他的自主管理交流很多信息，數(shù)管分系統(tǒng)是航天器的數(shù)據(jù)中心，有利于各項(xiàng)自主管理功能的統(tǒng)一規(guī)劃、實(shí)施。

（4）數(shù)管計(jì)算機(jī)軟件具有很強(qiáng)的在軌維護(hù)能力，能夠?yàn)樵谲墴峥刈灾鞴芾硭惴ê蛥?shù)的調(diào)整提供便利。

（5）由數(shù)管計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)熱控自主管理的智能控制策略，沒有單獨(dú)的熱控儀，可以降低系統(tǒng)的重量、功耗，符合航天器電子系統(tǒng)輕小型化的發(fā)展方向。

4 結(jié)束語

實(shí)現(xiàn)航天器的智能自主管理是航天器發(fā)展的重要方向，我國目前在這方面與航天發(fā)達(dá)國家還有很大差距。與許多其他的自主管理還停留在理論和預(yù)研階段相比，作為先行者，熱控自主管理已在航天器上得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹了國內(nèi)航天器上應(yīng)用較多的幾種熱控自主管理技術(shù)的智能控制策略。在此基礎(chǔ)上上，對熱控自主管理智能控制技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析，提出熱控自主管理將向自主管理的回路數(shù)量增加，精確化和智能化要求提高，控制器從獨(dú)立設(shè)備走向和數(shù)管計(jì)算機(jī)融合的方向發(fā)展。而且，未來航天器將建立自主管理框架，熱控自主管理作為其中的一部分，與航天器的其他智能自主管理相結(jié)合，以發(fā)揮更大功效。

（References）

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