一种三模冗余数字式增压控制器研究

李 亮，刘 倩，龚 敏，荣为君，胡斌星

（上海宇航系统工程研究所，上海 201109）

目前以美欧为首的航天强国，正在发展大推力、大直径、无毒无污染、高可靠性运载火箭，比较有代表性的是美国SPACE X 公司2019 年4 月成功完成重型猎鹰火箭首次商业飞行，起飞推力达2 500 吨。我国目前也在大力发展一系列新型运载火箭，以大幅提高运载能力，比较有代表性的是大型运载火箭长征五号。

增压系统是液体大型运载火箭的重要分系统之一，其性能的改善与提升对火箭整体性能的改善起着重要的作用。增压系统主要给液体推进剂贮箱提供气枕压力，保证液体推进剂在火箭发动机点火及飞行阶段能够顺利进入发动机中，通过气体填充可以使贮箱拥有一定的刚度，满足结构承重时所需的内部压力。发动机工作时，增压气瓶气体进入贮箱内，占据推进剂空间，进而把推进剂挤压出去[1-3]。

传统机械式增压方式主要为压力信号器和继电器以及减压器和压力调节器组合增压等。压力信号器和继电器组合增压主要通过压力信号器敏感贮箱压力，通过信号器的通断触点控制相关电磁阀的开关，从而实现压力的控制[4-5]。减压器和压力调节器组合增压通过压力调节器感受贮箱压力，通过调节器的开度调节实现对增压气体的流量控制，整个飞行过程贮箱压力受控，截止阀频繁开闭。这两种增压方式存在产品多、单机设计难度大、测试工作量大、工作适应性不强、无法二次装订压力参数等问题。

该文在充分调研国内外液体运载火箭增压方案基础上开展设计工作，并基于某型号一级煤油箱开展系统设计工作，明确了压力传感器和继电器组合的新型数字式增压控制方案。

1 增压输送系统设计

针对一级煤油贮箱增压需求，设计一种新型传感器控制闭式增压输送系统，如图1 所示，增压输送系统包含增压控制器、电磁阀、数字式压力传感器、氦气瓶、节流圈、安全阀以及配套的气路等。首先贮箱中的数字式压力传感器实时采集当前压力数据，并将压力数据传送到增压控制器中，增压控制器中的处理单元，对压力数据进行相应的处理后，经三取二算法模块，通过控制常通路、调节路及备份路电磁阀的工作，达到调节贮箱压力的目的，使贮箱压力维持在设定的压力带中。该增压控制器采用冗余设计，包含三路相互独立的CPU 控制模块，任意两路正常工作即可保证系统增压能力满足要求，因此可以大幅提高系统的可靠性[6-8]。

图1 增压系统压力传感器控制方案示意图

2 增压控制器方案设计

增压控制器方案如图2 所示。增压控制器由完全相同且互相隔离的3 个CPU 控制单元及3 个表决单元组成。压力传感器通过485 总线将压力数据送入控制单元供CPU 实时采集，CPU 将采集到的传感器值转换为相应的压力数值，经数据合理性处理及滤波后，送入判断模块进行判断，得出相应的控制结果。系统包含三路数字式压力传感器，分别送入3 个独立的CPU 模块进行相关决策控制。三路CPU 输出的控制指令经三取二模块后，分别对常通路、调节路和备份路电磁阀进行相关驱动控制[9-10]。

图2 增压控制器原理框图

软件的压力阈值由常通路、调节路和备份路接通、关断压力值决定，可以根据不同任务灵活调整。

相对于传统机械式增压方案，该方案具有以下优势：压力参数装订灵活，只需通过软件修改压力控制带参数即可；可以持续监测射前传感器的状态，而传统增压方案单元测试完成后即无法进行状态监测；经过通用化设计后，单类增压控制器即可满足多型火箭的需求，具有很好的通用性[11]。

2.1 CPU及外围电路设计

CPU 选用带60 kBit FLASH、1 kB RAM 的8 位微控制器STC12C5A60S2。该芯片是一种单时钟/机器周期（T1）的8 位微控制器，其指令系统与8051 完全兼容，相比普通单片机速度快8～12 倍，且具有两路全双工的串行口，可通过外接RS485 接口芯片后与压力传感器进行通信，同时将压力传感器信号通过另一路串口传送到遥测系统。为防止软件跑飞或程序进入死循环，在软件内配置看门狗。

系统供电采用三路完全隔离的电源模块，每路中都含有独立的滤波模块及5 V DC/DC 模块，这样可以做到三路CPU 模块之间的严格独立，增加系统的可靠性和冗余度[12]。

2.2 485数字压力传感器

根据一级煤油贮箱增压实际情况，需选择压力范围为0～1 Mpa 压力传感器，考虑到测试精度及抗干扰性，选用传感器、变换器一体化的485数字压力传感器。该传感器可将测量的数据直接转换为485 格式数据，经异步串行半双工通信接口输出。测量精度选择全温区误差不大于0.5%即可，工作温度在-40～125 ℃范围内。

2.3 三取二模块设计

三取二冗余表决模块是压力控制器的重要单元，用于控制单元输出的常通路、调节路和备份路三路控制信号进行三取二表决，实现电磁阀的通断控制。其可靠性直接决定了系统是否具有高可靠性，表决系统采用6 个继电器串并联组合，如图3 所示。继电器的正端接电源，负端连单片机控制IO 端,由于单片机引脚驱动能力较弱，需要在单片机引脚与继电器之间接驱动芯片，以提高单片机驱动能力。每路CPU 控制I/O 同时接2 个继电器线圈，6 个继电器组成三取二冗余网络。通过继电器实现冗余控制的目的。该表决结构具有较高的可靠性，任意一路控制信号有误只影响本路控制的2 个继电器，而不会造成表决失效。常通路、调节路和备份路三取二表决单元完全相同[13]。

图3 表决单元示意图

3 软件设计

数字式压力传感器每隔20 ms 将采集到的压力数据通过485 总线发送给CPU，增压控制软件采用200 ms滤波周期，使用最小二乘法滤波。CPU 接收到压力传感器数据后，首先判断该压力数据是否在误差范围内(可根据传感器精度，合理地选择误差范围)，且该压力数据需要与上一滤波周期的结果进行比较（当前一滤波周期结果为0时，可忽略此步骤）[14]。软件设计中定义每个滤波周期有效的压力数必须大于等于5 个，此时判断该周期压力数据有效，可以参与后续增压控制。否则直接将该周期数据剔除，控制程序执行上一周期压力结果并等待下一周期数据到来[15]。对3 个控制结果进行三取二表决，输出控制信号，完成驱动电磁阀工作。软件流程图如图4所示。

图4 软件流程图

4 实验验证

本次实验所进行的实验工况见表1，考核一级煤油箱增压在正常状态和故障状态情况下，能否控制压力到正常范围带。

表1 实验工况表

实验前，通过地面配气台供气，将贮箱压力稳定在0.81 MPa 左右。实验模拟一级煤油箱真实增压过程，前20 s 运行在高压力范围带，20 s 后运行在低压力范围带，如图5 所示，左侧图曲线为测量系统采集到的压力曲线，右侧图为压力控制器采集到的压力曲线。从图中还可以发现，在以下5 个工作模式中，遥测系统采集的压力数据曲线和压力控制器采集的数据曲线基本一致。在故障模式1、2、3 中，程序可以自主控制相应的电磁阀动作，从而使压力值维持在相应的压力带，与设计要求一致。在故障模式4中，1 路压力传感器故障，通过三取二冗余模块，成功规避了错误，达到了预期的设计要求。

图5 多故障模式下增压控制器压力曲线

5 结论

基于三模冗余的数字式增压控制器，可通过软件灵活地设置贮箱压力带，提高了系统的精度和灵活性，通过三冗余设计可以显著提高系统可靠性，可以确保在单路出现故障的情况下，系统正常工作[16]。通过实验验证了数字式增压控制方案的合理、可行，可完成正常工作和任意路电磁阀打不开或关不上状态下系统的工作需求，表明增压控制软件逻辑的正确性。多路冗余传感器任意一路传感器出现故障，不影响系统增压压力的控制，验证了控制器“三取二”逻辑的正确性。实验结果表明数字式压力传感器增压系统替代现有机械式增压系统的可行性，可以适应多型号的增压需求。