基于分布式网络的航天器真空热试验控制系统

摘要

随着航天器研制技术的发展，未来航天器功能和运行工况越来越复杂，航天器在轨运行功率也越来越大，而且很多高精度设备对工作温度环境要求也越来越苛刻；这些新的挑战都促使航天器热控技术不断向前发展。航天器热控技术的发展对于地面真空热试验技术也提出了更高的要求，以验证热控系统的设计合理性和功能完备性。真空热试验包括热真空试验和热平衡试验，在试验过程中需要模拟航天器在太空中的真空、冷黑和太阳辐射环境；特别是对于太阳辐射环境，需要大功率的外热流模拟器来实现，这些大功率的设备会在短时间内产生很高的热量。因此，如何根据航天器运行的工况来精确控制这些外热流模拟设备，就成为了真空热试验控制系统的关键所在。
　　本文首先详细介绍了航天器真空热试验和真空热试验系统，并对传统的真空热试验控制系统的弱点和不完备之处进行了分析；然后结合新式下真空热试验的要求和特点，对传统的控制系统进行了重新设计和开发。根据控制理论，分布式控制网络可集中显示系统状态的反馈信息和集中输入系统设置，而将系统的控制功能分散，以降低单点故障风险，避免系统瘫痪，提高控制系统的稳定性和可靠性；基于此点，设计了一套基于分布式网络控制技术的真空热试验控制系统。
　　本文先从总体上介绍基于分布式网络控制的真空热试验控制系统的总体控制结构和流程；整个控制系统的终端包括服务器、监控终端、控制器和数据采集器，这些终端均具有以太网接入能力。然后文章详细介绍了控制系统硬件和软件；硬件主要包括服务器与监控终端、电源控制器、程控直流电源（包括负载加热笼）、数据采集器（包括热电偶），它们都具有网络接入功能，采用以太网TCP/IP协议构成分布式控制网络，可分散系统故障风险，提高系统的可靠性。控制系统软件主要包括监控主站服务器软件和监控终端软件，两者均采用C/C++语言开发，模块化程度高，可维护性强。
　　另外，本文对还对控制系统中用到的关键技术进行了总结；本控制系统的关键技术是分布式网络与可靠性通信、先进 PID控制技术以及高速信号处理技术。分布式网络可提高控制系统的稳定性和可靠性；另外，通过借鉴航天产品的高可靠性设计原则，提高了控制系统的可靠性和试验过程的安全性。控制系统设计采用增量式数字 PID控制算法，并运用模糊自适应PID控制策略，自动实现对PID控制参数的最佳调整；该算法能同时满足控制精度和参数的自动调整要求。另外，基于高性能 DSP技术实现的电源控制器也是本套控制系统的关键技术，在电源控制器开发中设计了一种基于TMS320F2812高速信号处理的硬件实现方案。
　　最后，对控制系统的性能和可靠性模式进行了测试，以检验温度控制系统闭环控制的动态特性和抗干扰能力，验证系统控制站单节点和双节点失效情况下节点自动切换和闭环自动切换的能力。测试结果表明控制过程动态特性良好，抗干扰能力强,系统多种备份工作模式和可靠性保障模式能够有效运行，完全能满足各型号航天器的真空热试验要求。

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第一章 绪论

1.1 航天器真空热试验

1.2真空热试验系统

1.3 研究意义

1.4 本人贡献

1.5 本文架构

第二章 基于分布式网络的真空热试验控制系统

2.1基于分布式网络的控制系统架构

2.2 控制系统硬件

2.3 控制系统软件

2.4 本章小结

第三章 分布式网络与可靠通信

3.1 TCP/IP协议[5]

3.2 TCP/IP 协议在本控制系统中的应用

3.3 系统可靠性

3.4可靠性设计在本控制系统中的应用

3.5 本章小结

第四章 先进PID控制技术

4.1 PID控制原理

4.2 先进PID控制技术在本系统中的应用

4.3 本章小结

第五章 高速信号处理技术

5.1 基于高性能DSP的信号处理技术

5.2 高速信号处理技术在本系统中的应用

5.3 本章小结

第六章 系统功能及性能测试

第七章 全文总结

7.1 主要结论

7.2 研究展望

参考文献

致谢

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