一種用于運載器控制系統(tǒng)測試需求分析的工程化模型

李悅辰, 王志雅, 胡維儉

(1.北京控制與電子技術(shù)研究所，北京 100038; 2.中國航天科工二院，北京 100854)

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一種用于運載器控制系統(tǒng)測試需求分析的工程化模型

李悅辰1,2, 王志雅1, 胡維儉1

(1.北京控制與電子技術(shù)研究所，北京 100038; 2.中國航天科工二院，北京 100854)

針對現(xiàn)有的運載器控制系統(tǒng)模型不便于進(jìn)行運載器控制系統(tǒng)測試需求分析的問題，綜合運載器控制系統(tǒng)理論模型和實際的運載器控制系統(tǒng)，提出了一種用于運載器控制系統(tǒng)測試需求分析的工程化模型；驗證結(jié)果表明，通過工程化模型得出的測試需求和目前實際產(chǎn)品的同層次測試項目基本是一致，改進(jìn)模型是可用的、有效的。

運載器；測試需求分析；工程化模型

0 引言

運載器控制系統(tǒng)是一個精密而復(fù)雜的系統(tǒng)，為了確保其能正常完成任務(wù)，就必須利用測發(fā)控系統(tǒng)對運載器的控制系統(tǒng)進(jìn)行全面的檢查和測試[1]。但是現(xiàn)在每種型號的運載器都有專用的測試系統(tǒng)，不同型號間測試設(shè)備通用化程度低[2]。為了解決通用化的問題，有學(xué)者提出需要改變設(shè)計理念，從源頭重新規(guī)劃，將控制系統(tǒng)的設(shè)計和測發(fā)控系統(tǒng)的任務(wù)需求結(jié)合起來統(tǒng)籌考慮[3]。

為了在今后控制系統(tǒng)設(shè)計中提升通用化、系列化、組合化設(shè)計水平，從而縮短研制周期，改進(jìn)運載器系統(tǒng)的保障性，需要根據(jù)運載器的基本功能對運載器控制系統(tǒng)測試的共性需求進(jìn)行分析。而運載器的控制系統(tǒng)模型是分析的主要工具。

本文為解決測試需求分析的問題，在理論模型的基礎(chǔ)上，提出了運載器工程化模型。對運載器控制系統(tǒng)測試需求分析具有一定的參考意義。

1 現(xiàn)有模型

以往在分析運載器控制系統(tǒng)測試需求時常用的模型有以下三類。

第一類，制導(dǎo)系統(tǒng)和姿態(tài)控制系統(tǒng)圖。

如圖1、圖2所示，這是運載器的制導(dǎo)系統(tǒng)和姿態(tài)控制系統(tǒng)模型[4]。從圖中能清晰地看出系統(tǒng)的功能組成和信息流程。但是，其缺點也非常明顯。首先，通過圖1、圖2可以迅速的分析出控制系統(tǒng)具有的基本功能，比如慣性測量和導(dǎo)航計算等等。但不能將其與實際的儀器設(shè)備聯(lián)系起來。其次，制導(dǎo)系統(tǒng)和姿態(tài)控制系統(tǒng)都隸屬于控制系統(tǒng)，兩幅圖中存在功能重疊部分。這使分析過程中，需要區(qū)分其重疊的部分或者單獨分析完畢后對重疊功能進(jìn)行合并處理，增加了工作量。第三，模型理論性比較強(qiáng)，不能完全覆蓋運載器控制系統(tǒng)的全部功能，比如電源配電、火工品發(fā)動機(jī)點火和保護(hù)等等。

圖2 姿態(tài)控制系統(tǒng)模型

第二類，控制系統(tǒng)模型圖。

如圖3所示，這是一種典型的運載器控制系統(tǒng)模型[4]。它克服了上述模型的部分缺點。由于這是控制系統(tǒng)最基本的模型，從傳統(tǒng)的控制理論出發(fā)我們可以將運載器中各個儀器和其在控制系統(tǒng)中的具體作用聯(lián)系起來，便于進(jìn)行測試對象功能和測試需求的分析。同樣的，也避免了制導(dǎo)和姿態(tài)控制系統(tǒng)模型中的重復(fù)分析的問題。但是，這個模型依然較為理論化，不能完全覆蓋實際運載器控制系統(tǒng)全部功能，不利于實際工程分析。

圖3 運載器的控制系統(tǒng)模型

第三類，運載器的儀器配置圖。

如圖4所示，這是一種實際的運載器設(shè)備配置圖[4]。和前兩種不同，這是一種從工程角度出發(fā)的模型，是一種對之前理論化模型工程改進(jìn)的一種方案。它在分析系統(tǒng)儀器組成和連接的時候有一定的優(yōu)勢，但是在測試需求分析時，使用起來并不方便。具體來說，從圖中很難看出某個儀器設(shè)備在整個控制系統(tǒng)中起的作用，這為分析儀器的基本功能造成了困難。所以從運載器的基本功能入手的測試需求分析就更難進(jìn)行下去。

圖4 某運載器的設(shè)備配置圖

2 模型改進(jìn)

根據(jù)之前的分析，我們以運載器的控制系統(tǒng)模型為起點并結(jié)合實際使用和控制系統(tǒng)設(shè)備的功能對模型進(jìn)行改進(jìn)，為了方便可以將實際的被控對象即運載器本身剝離于模型外。由此，通過基本的控制理論可得出運載器控制系統(tǒng)的理論模型，如圖5所示。

圖5 運載器控制系統(tǒng)理論模型

圖5中，發(fā)射前裝定的導(dǎo)航信息和飛行中由信息探測裝置探測到的實際信息是控制系統(tǒng)的給定量，飛行中由導(dǎo)航、姿態(tài)信息測量裝置檢測到的導(dǎo)航、姿態(tài)信息是控制系統(tǒng)的反饋量，而伺服機(jī)構(gòu)則是控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件。這個模型涵蓋了運載器控制系統(tǒng)的基本功能，從給定、測量、反饋到控制和指令執(zhí)行。按照當(dāng)前的控制系統(tǒng)設(shè)備功能劃分對圖5進(jìn)行拆分和組合，得到如圖6所示的物化模型。

圖6 運載器控制系統(tǒng)物化模型(a)

圖6中所有虛線部分對應(yīng)的物理設(shè)備是飛控計算機(jī)，是具有接口和裝定功能的控制器。信息探測、導(dǎo)航、姿態(tài)檢測則由慣性器件結(jié)合其他敏感器來完成。將模型圖中各個部分和相應(yīng)的物理器件對應(yīng)后，可得到圖7。

圖7 運載器控制系統(tǒng)物化模型(b)

圖7中，信息探測和導(dǎo)航、姿態(tài)檢測功能由運載器控制系統(tǒng)敏感器件完成，飛控機(jī)是控制器，伺服機(jī)構(gòu)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這個控制系統(tǒng)模型在理論上已經(jīng)比較完整，但是通過分析，實際工作中控制系統(tǒng)不僅需要完成運載器姿態(tài)和飛行軌道的控制，而且還要完成運載器上儀器的配電，發(fā)動機(jī)保護(hù)及點火、火工品安全保護(hù)及點火等功能的控制。所以可以對其進(jìn)一步改進(jìn)，可得到圖8。

圖8 運載器控制系統(tǒng)實用化模型

圖8是在圖7的基礎(chǔ)上加入了電池、配電控制，火工品、發(fā)動機(jī)以及安全保護(hù)及點火控制這三部分。增加的三部分屬于數(shù)字量控制，在控制過程中不需要將信號轉(zhuǎn)變成模擬量，這和伺服機(jī)構(gòu)有一定不同，所以將它們分開表示。這個模型相比之前的幾個模型已經(jīng)基本涵蓋了控制系統(tǒng)在綜合測試中需要測試的基本部件或者功能。但是它只能描述單級的運載器，而且在實際的應(yīng)用中存在大量的多級運載器，所以還需要進(jìn)一步改進(jìn)，改進(jìn)后可得到圖9。

圖9 運載器控制系統(tǒng)工程化模型

如圖9所示，左邊是控制系統(tǒng)的敏感器，可以是慣性器件，可以是其他敏感器，也可以是兩者的組合。我們需要根據(jù)被分析對象的各自特點對這一部分進(jìn)行相應(yīng)的增減，比如有些運載器使用GPS輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，那么就要將這些設(shè)備在圖中體現(xiàn)，具體就是圖中虛線框中的輔助導(dǎo)航設(shè)備。中間的飛控機(jī)也就是控制系統(tǒng)的控制器。右邊則根據(jù)運載器的級數(shù)對之前的模型進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，現(xiàn)在進(jìn)行簡要說明。

首先，級與級之間以虛線隔開，級數(shù)可以根據(jù)運載器實際級數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鰷p；其次，運載器除了末級外的每一級都比較類似，都包括伺機(jī)構(gòu)和電池、配電控制，火工品、安全保護(hù)及點火控制，發(fā)動機(jī)、安全保護(hù)及點火控制；第三，伺服機(jī)構(gòu)的控制是模擬量控制，所以將它單列出來與其余的數(shù)字量控制區(qū)別開；第四，每一級中虛線框部分則可以根據(jù)實際情況進(jìn)行增減，這一點和敏感器部分類似；第五，為了保證模型完整在末級中加入了運載對象，取消了已經(jīng)包含在運載對象中的發(fā)動機(jī)部分。第五，不是所有的運載器一級部分的電池、火工品、發(fā)動機(jī)相關(guān)功能的控制都是由飛控機(jī)完成的，還有相當(dāng)一部分是由地面控制計算機(jī)完成的。所以一級部分以虛線分別和飛控機(jī)、地面控制計算機(jī)連接。具體則情況需要根據(jù)實際的分析對象確定。

這個控制系統(tǒng)模型相比之前的模型有很大的改進(jìn)。首先，它貼近工程，可根據(jù)實際分析對象對相關(guān)的儀器設(shè)備進(jìn)行增減。甚至于未來技術(shù)發(fā)展，運載器的控制系統(tǒng)只要還是敏感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)這樣的基本結(jié)構(gòu)，那么就可以根據(jù)實際對上述模型進(jìn)行微調(diào)；第二，可以體現(xiàn)運載器的級數(shù)，而且在運載器級間分離后依然可以保證模型的完整。比如，一級分離后就可以將圖中一級部分截掉保留二級到末級部分，不影響模型的完整性；第三，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)明晰，不會出現(xiàn)之前模型中功能的重疊。并且能將各個儀器和其在控制系統(tǒng)中的具體作用聯(lián)系起來，方便分析儀器設(shè)備功能及其測試需求。

3 模型的實用性分析

運載器從單個組成儀器完成制造到整體交付使用，控制系統(tǒng)所需要完成的測試有單元測試(對組成設(shè)備單元進(jìn)行的功能檢查和性能測試)和綜合測試(對運載器飛行控制系統(tǒng)或與其有關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行的功能檢查和性能測試)兩類，綜合測試又分為單項測試、分系統(tǒng)測試和總檢查[1]。綜合測試在運載器全壽命周期里進(jìn)行的次數(shù)最多，所以在進(jìn)行運載器的測試需求分析時，通常把綜合測試內(nèi)容作為主要分析對象。

在圖9中需要測試的控制系統(tǒng)設(shè)備有：信息探測裝置、慣性器件、輔助導(dǎo)航設(shè)備、飛控機(jī)、伺服機(jī)構(gòu)、電池、配電控制、火工品安全保護(hù)及點火、發(fā)動機(jī)安全保護(hù)及點火。運載對象獨立于控制系統(tǒng)，實際工程中對運載對象的測試要求通常由運載對象研制部門提出，測試要求中包括與控制系統(tǒng)的接口信號及響應(yīng)，故不作討論。

綜合測試遵循著從運載器上不加電到加電，從點到面的測試順序。前面從模型直接得出的項目都可以認(rèn)為是“點”，完成“點”的測試后，就要測試整個控制系統(tǒng)。從圖9中可以看出，控制系統(tǒng)的功能是根據(jù)敏感器測量的數(shù)據(jù)，由飛控機(jī)結(jié)合飛控程序和裝訂好的數(shù)據(jù)完成運載器的姿態(tài)、飛行軌道、點火、級間分離的控制。為了保證控制系統(tǒng)能夠完成這樣的任務(wù)，那么就要測試以下幾個項目：第一，系統(tǒng)的綜合零位；第二，各個通路特性及其極性；第三，驗證點火和關(guān)機(jī)方程的精度。

綜上所述，可以對運載器的測試項目按照測試順序進(jìn)行排列。不加電的測試有：火工品通路、保險栓開/閉、脫落連接器脫落、伺服機(jī)構(gòu)氣壓或油面。加電的測試按照由點到面的順序排列有：電池配電控制、慣性器件、輔助導(dǎo)航設(shè)備、飛控機(jī)、伺服機(jī)構(gòu)回路、系統(tǒng)的綜合零位、各個通路特性及其極性、點火和關(guān)機(jī)方程的精度。其中不加電測試就是綜合測試中的單項測試，而上面所列的加電測試則屬于分系統(tǒng)部分。以上就是通過工程化模型得到的簡要結(jié)論，這是綜合測試的一個基本框架，更深層的結(jié)論可以按照這個框架填補(bǔ)內(nèi)容。和實際對比后，發(fā)現(xiàn)二者在同層次的測試項目上基本是一致的[1,5,6]，這說明模型是可用的、有效的。

4 結(jié)論

為了解決使用現(xiàn)有模型在測試需求分析時遇到的困難，本文根據(jù)模型的缺點和不足，分析需要改進(jìn)的要點。以運載器控制系統(tǒng)理論模型為起點，提出了控制系統(tǒng)物化模型和實用化模型，并且結(jié)合工程實際得到了工程化模型。其次，借助工程化模型對運載器的控制系統(tǒng)測試需求進(jìn)行了簡要的分析，所得結(jié)論和實際測試項目基本一致。再結(jié)合工程化模型結(jié)構(gòu)便于根據(jù)實際對象增添設(shè)備的特點，證明工程化模型對測試需求分析較有幫助。

[1] 沈秀存. 導(dǎo)彈測試發(fā)控系統(tǒng)[M]. 北京：中國宇航出版社, 1996.

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Application of a Control System Model for Testing Requirements Analysis of Launch Vehicle

Li Yuechen1,2， Wang Zhiya1， Hu Weijian1

(1.Beijing Institute of Control and Electronics Technology，Beijing 100038，China；2.Second Academy, CASIC, Beijing 100854，China)

Based on the background of launch vehicle control system test, regard the problem that existing control system model is not convenient to analyze the testing requirements. According to the actual launch vehicle control system, improve the theoretical model of control system and get the industrialization model of launch vehicle control system. The validated results indicate that testing requirements concluded by the industrialization model and actual test projects are basically the same, the improved model is practicable and effective.

launch vehicle; testing requirements analysis; industrialization model

2016-04-07；

2016-05-24。

李悅辰(1991-)，男，陜西西安人，碩士研究生，主要從事自動控制與自動化測試方向的研究。

1671-4598(2016)09-0077-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.021

TP3

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