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运载火箭制导系统冗余设计技术研究.doc

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上传者: 爱有多深伤就有多深 2017-11-12 评分 3 0 23 3 104 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《运载火箭制导系统冗余设计技术研究doc》,可适用于综合领域,主题内容包含运载火箭制导系统冗余设计技术研究胡云中北京航天自动控制研究所摘要针对提高运载火箭飞行控制系统可靠性问题,从制导系统角度给出了两种系统级冗余方案,对其符等。

运载火箭制导系统冗余设计技术研究胡云中北京航天自动控制研究所摘要针对提高运载火箭飞行控制系统可靠性问题,从制导系统角度给出了两种系统级冗余方案,对其冗余配置、可靠性、冗余管理、故障检测和隔离、系统同步问题进行了讨论。主题词运载火箭控制系统冗余技术故障检测ResearchforRedundantTechnologyofLaunchVehicleGuidanceSystemHuYunzhongBeijingAerospaceAutomaticControlInstituteAbstractToimprovethereliabilityofflightcontrolsystemoflaunchvehicle,twosystemicredundantschemeareproposedinthispaperattheviewofguidance,,,systemMoreoverresearchisdelvedinaspectofreliabilityfailuredetectionredundantconfigurationandmanagementaswellassynchronousproblemoftheredundantsystemSubjecttermsLaunchvehicleControlsystemRedundanttechnologyFailuredetection引言未来运载火箭的发展要求制导系统在执行不同的任务和恶劣的环境中具有极强的适应性和较高的容错能力。特别是用于商用卫星发射的火箭,要获得高的投入产出比,其可靠性指标必须大大提高。冗余设计是大幅度提高系统可靠性的有效手段。国外在运载火箭设计中大量采用了从单机至系统的冗余设计技术。美国的“大力神”采用了全系统冗余的制导与控制系LV统。“土星V”运载火箭采用了三冗余制导控制系统:两套平台系统和一套捷联系统。冗余数字制导系统配置()(运载火箭数字制导系统主要由惯性测量装置、输入ƒ数字机ƒ输出装置ƒIMUINPUT()(()))、伺服机构、时序装置组成图。其中,惯ƒDCOUTPUTSERVOTIMESEQ性测量装置可以是平台式,也可以是捷联式。输入ƒ输出装置主要由ƒ、ƒ、多路转换ADDA器等组成。以此为基础,可以构成不同余度数的冗余结构。余度数的选择要从总体部对制导系统提出的可靠性指标出发,并兼顾系统体积、重量、费用的要求。另外,我们应该认识到,余度技术是以牺牲系统的基本可靠性来提高系统任务可靠性的,因此应以最小的余度数满足规定的可靠性指标。下面给出适用于运载火箭制导系统的两种冗余结构形式。图数字制导系统基本组成主从备份双冗余系统图为带有通道选择冗余管理的双冗余主从备份系统的一般结构形式。系统由两套传感器,两套数据输入处理输出装置,一套伺服机构,一套时序装置和一个系统选择器组ƒƒ成,两个子系统可以是同构型,也可以是异构型。系统冗余管理方式为:双系统并行工作,“从”系统处于离线热备份状态。当两系统皆正常工作时,在线工作系统不切换。当一系统发出故障报警信号时,由系统选择器判决是否进行在线切换。当两系统皆发出故障报警信号时,系统失效。上述冗余结构的可靠性准则如图所示。()()系统选择器由冗余管理逻辑软件和切换装置硬件两部分组成。其主要功能一是进行系统故障检测,一是控制在线系统切换。故障检测面分别设置在惯测装置的输出端和控制指令的输出端。故障检测的方法可分为两类,即基于动态模型的方法和不依赖于动态模型的方法。由于制导系统的复杂性,欲建立精确完善的数学模型比较困难,而且由于基于动态模型的算法复杂,运算量大,难于做到实时性,因此这种方法不太适用于制导系统的故障检测。这里介绍两种不依赖于模型的故障检测方法:()基于系统特征参数量测输出的自测法图双冗余系统结构图图可靠性准则示意图ααα()()()yt<yaxtmmint<y当此范围被突破时,可认为故障已经发生或即将发生。()基于模式识别的诊断方法这种故障诊断方法的步骤是:)i故障模式向量的形式。())故障基准模式特征向量集的形成。ii())判别函数特征向量组合的形成。iii采用这种方法的前提是必须具有大量的有关故障的先验知识,对新颖故障此方法则无能为力。耦合三冗余结构图是由三个结构和功能均相同的子系统构成的冗余制导系统配置图。该系统的特点图三冗余系统结构信号表决ƒ监控机制的作用如下:检测和隔离惯测装置和输入电路的故障。a检测和隔离计算机以及导航、制导运算结果的故障。b选择系统正确的输出。c系统采用中值信号表决的方法作为其基本的表决ƒ监控技术。系统中可以设置两个表决监控面分别对输入信号和输出信号进行表决监控,只要三个冗余子系统中的两个正常运ƒƒ行在表决水平范围内,系统就能正常工作,在余下的两个子系统中,如果出现第二个故障,只能进行故障检测,而不能进行故障隔离。全系统具有故障工作故障安全的能力。图ƒ()是影响系统正常工作的因素分析示意图假设时序装置和伺服机构无故障。三冗余数据表决和选取机制见表,其中M,M,M为三个信号值。计算机冗余管理冗余制导系统主要依靠计算机软件实现冗余管理,同时采用必要的硬件作为辅助设备。图可靠性准则示意图表判定条件失效数值优选数值()|MM|<e,|MM|<e,|MM|<eM=MMKMƒM()|MM|>e,|MM|<e,|MM|>eM=MMƒ()|MM|>e,|MM|>e,|MM|<eMM=MMƒ()MM<e,MM>e,MM>eM||||||M=MMƒ若M>M>M|MM|>e,|MM|>e,|MM|>eM=M首先运行同步管理程序。同步管a理信息连同前一周期故障隔离块产生的故障隔离信息一起送给冗余管理接口子程序,产生系统故障状态表。如果通道箭机正常工作,传感器b冗余管理子程序对采样数据进行处理,若某一通道箭机故障,则禁止该计算机输出信息。制导信息输出管理子程序用来监c测制导、导航的计算结果,利用表决机制开辟共享存贮区,它可以极大的提高通讯速度,另外在信息传输方式和线路布置上要加以研究选择。同步问题是确保冗余系统正常工作的首要问题,只有实现了同步,各通道采集的数据和输出结果才有可比性,数据表决才有意义。解决这个问题的常用方法有:硬件同步。同步是靠计算机时钟源实现的,各通道共用一个时钟。一般计算机时钟a源有一个晶体和一个振荡电路组成,一旦晶体出现故障,计算机系统将停止工作。为提高()可以采用晶体并联的方式晶振电路可靠性,同时满足同步性的要求,图。图软硬结合,以软为主。在每个计算机帧的起始,利用同步管理程序,在各处理机之b间传送同步信号强迫各计算机进入同步。结束语本文给出的两种可用于火箭飞行的冗余制导系统,它们有各自的优缺点,有的成本高,体积和重量大,但是可靠性高。有的需要设计专门的切换装置,但是成本相对较低。以此为参考,根据对系统冗余度的要求,在实际应用中我们可以组成双平台,双捷联,平台捷联主从备份,三平台等不同形式的系统冗余结构。参考文献,WangZhanLinandQiuLiHuaResearchforRedundantControlSystemAASJimmyWRiceDigitalFlightControlReliabilityEffectsofRedundancyLevelandRedundancyMan,agementTechniqueAIAA

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