航天器热控自主管理中的智能控制技术

郭坚 陈燕 邵兴国

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

当前航天器上广泛采用的热控措施大致分为被动式和主动式两大类。被动式热控制［1］是一种开环式控制，主要依靠合理布局和选用具有适当热物理性能的材料和结构及比较简单的热控装置来组织换热过程，它的特点是简便易行，但不具备自动调节温度的能力。主动式热控制则是闭环式控制，这类热控装置通常由温度敏感器、控制器和执行装置三部分组成，如恒温电加热器、热控百叶窗、接触式热开关等。它们的特点是被控对象的温度信息可以反馈到控制器与预先设定值进行比较，然后根据差值命令执行机构动作，实现温度的自动控制［2］。热控自主管理是主动式热控的主要表现形式，也是热管理技术的重要发展方向，热控自主管理系统设计中需要考虑的一个重要因素是智能控制策略及其实现方法。

本文分析了目前最常用的电加热器热控智能控制策略的实现方法，介绍了百叶窗热控和流体回路热控自主管理智能控制策略的实现方法，在此基础上，提出了热控自主管理智能控制技术及其实现方法的发展趋势。

2 常用热控自主管理控制策略

电加热器热控是目前最常用的热控自主管理实现方式，在大部分卫星上都已采用。早期卫星对电加热器的控制是采用实时的遥控指令，而没有自主管理方式，随着嵌入式计算机在星上的应用，对电加热器的控制逐渐发展为自主控制和遥控同时存在。图1是一个典型的电加热器自主管理的示意图。

图1 电加热器形式热控自主管理设备连接示意图Fig．1 Connecting sketch map of thermal autonomous management equipment using electric heater

图1中，温度敏感器为热敏电阻（部分场合也可能采用热电偶等传感器），也包括进行温度遥测和开关遥测的采集设备，即遥测采集及指令输出设备；驱动装置包括驱动器、安全开关、指令输出设备，控制器由若干加热器开关组成，以提供驱动加热器的大电流。加热器开关分两类：一类是机电式继电器，另一类是电子开关，后者用于开／关次数频繁的加热器。对于自主管理的实现，目前有两种实现方法：一种是将自主管理计算机、遥测采集及指令输出设备合并，一般称之为热控仪；另一种是将二者分开，控制器由数管分系统的中心计算机（CTU）承担，遥测采集及指令输出由数管分系统的远置单元（RTU）承担。其中后一种方案在大卫星上应用广泛，前一种方案在小卫星上应用较多。

热控自主管理的自主性主要由自主管理计算机体现，目前自主管理的算法均由软件实现，根据温度上下限进行控制，当低于温度下限时控制加热器接通，当高于温度上限时控制加热器断开，如图2 所示。其中，主份回路的控温范围比备份回路窄，因此只有在主份加热回路失效时备份加热回路才会启动。

图2 加热器控制规律Fig．2 Control law of heater

经过多年的发展，热控管理的自主性逐步加强，实现的算法也越来越复杂。下面举例说明热控自主管理控制策略的实现方法。

某卫星共有96个电加热回路，图3是该卫星热控自主管理软件的一个简化的流程。对图3的补充说明如下：

（1）热控自主管理功能的启动和每个回路的自主控制使能均可由地面遥控指令设置。

（2）每个回路均有两个热敏电阻对温度进行采集，热控自主管理时取其中之一的值作为该回路温度值（为了防止热敏电阻故障，对每个热敏电阻的温度值规定了合理值范围，当超出合理值范围时将剔除），热敏电阻的选择可由地面遥控指令改变，某些回路可能采用多个热敏电阻测量值取平均作为判据，还有某些回路可能采用几个热敏电阻的温度差作为判据。

（3）有两组阈值，分别对应于卫星处于阴影区和光照区，热控自主管理软件可根据电源管理软件给出的“进影”和“出影”信号，选择其中一组阈值作为当前的阈值；也可根据地面遥控指令来选择当前的阈值（某些卫星为了适应不同的空间环境，还设计了多种工作模式，每种模式开启的回路、采用的阈值均不相同）。

（4）每个回路的阈值分为高温阈值和低温阈值，高于高温阈值表示温度太高，需发送回路断开的指令（当回路为接通状态时）；低于低温阈值表示温度太低，需发送回路接通的指令（当回路为断开状态时）。

（5）为防止干扰引起误判，需对每个回路的温度值采3次、判3次，3次均超过阈值才认为需要进行控制（某些卫星针对不同回路的特点，设置了两种控温周期，采集和控制的频率不同）。

（6）为提高可靠性，对被控对象都采取主备两个加热回路，其中主加热回路的阈值范围更窄，因此当主加热回路发生故障时，温度超出主加热回路的阈值范围，达到备份加热回路的阈值时，备份加热回路自动启动。

（7）热控自主管理软件的所有运行状态，所需参数（如使能否、阈值、所用热敏电阻等等）均作为重要数据通过星载数据总线保存到其他设备中，一旦软件所在的计算机复位，能够立即恢复这些数据，以保持自主管理的连续性。

图3 卫星A 热控自主管理控制策略简化流程Fig．3 Simplified flow of thermal autonomous management strategy for satellite A

热控百叶窗也是卫星的主动热控手段之一，它的调控能力强，工作性能稳定［3］。电加热器实现对设备加热，百叶窗则主要通过对阳光的遮挡调节外部辐射，来实现降温。百叶窗式热控自主管理的控制算法和电加热式自主管理相似，主要是控制阈值的差别：电加热式自主管理一般要求温度控制在一个范围内，如-10～＋30 ℃，当设备处在该范围内时不需要控制；而百叶窗式自主温控要求温度控制在一个点，例如20 ℃，当不在这个点上就需要进行控制。此外，驱动机构由加热器变为控制百叶窗的电机（通常为步进电机）；敏感器除温度传感器外，还有测量角度的传感器等。

有些航天器上采用了对流体回路热控［4］进行自主管理的方法。其执行机构主要有泵、截止阀、温控阀等，控制器主要通过控制这些驱动机构来调节温度，实现热控自主管理。对泵的控制主要是通过采集泵的压力和转速，实现当其超过一定门限时进行报警。温控阀则根据测量的温度值与阈值进行比较，当连续超出一段时间时，进行开启和关闭操作，温控阀的驱动机构一般也采用步进电机，控制器通过控制步进电机的转动来驱动温控阀。

3 热控自主管理智能控制技术及其实现方法的发展趋势分析

近年来，随着热控自主管理技术在航天器上的应用正朝着更广和更深的方向发展，其智能控制技术也取得了较大的发展，预计在不久的将来还会有以下一些发展趋势：

1）自主管理的热控回路数量还将增加

随着卫星规模和复杂度的提高，星上对温度敏感的精密仪器也越来越多，使得自主管理的热控回路数量也在不断增加。例如在早期卫星上的自主热控回路在10路左右，近期发射的卫星的自主热控回路数都在100路左右，预计今后的大型航天器上的自主管理加热回路数还会增加。

2）自主管理的精确化和智能化要求越来越高

随着许多新载荷的使用，对某些温度要求非常严格的载荷设备，要求提供更加精确的控温算法，如采用比例微分积分（PID）调节算法，采用对加热开关实现脉冲控制且脉宽和占空比可任意调节的算法等等。对百叶窗的控制也将采用许多更加优化的算法，如免疫遗传算法［5］等等。

在智能化方面，航天器的主动式热控最初完全依赖遥控，发展到今天，已实现了自主管理为主，遥控为辅的阶段。未来的热控自主管理不仅要实现短期的正常情况下的自主管理，还要支持航天器长期的无人干预情况下的在轨自主运行［6］，这就需要根据不同的运行环境自动调整自主管理的算法，调整各个回路的状态等等；此外，还需针对各种故障情况做出正确的判断，具备在轨故障诊断和自动修复能力。例如，需根据能源系统的电能储备情况选择“节能模式”还是“全工作”模式；需针对整星的某些应急情况对回路进行开关操作等等。这就需要将热控自主管理纳入整个航天器的自主管理框架中，和整星的其他智能自主管理相结合，从总体的高度，建立航天器智能自主管理模型。这种自主管理模型在国外已得到了应用，我国也开展了相关的预研工作。图5是在借鉴美国深空一号（Deep Space-1，DS-1）等国外先进的航天器智能管理体系结构的基础上，提出的适用于我国航天器的集中与分布式管理相结合的多代理协作航天器自主管理体系结构。

图4 集中与分布式管理相结合的多代理协作航天器自主管理体系结构Fig．4 Multi-agent spacecraft autonomous management architecture integrated concentration with distribution

3）自主管理的控制器从独立设备走向与数管计算机的融合

早期的热控自主管理的控制器由专门的热控仪实现，其功能较为单一。随着星载数据管理分系统［7］在卫星上的普及，采用数管分系统的计算机来实现热控自主管理功能正成为一种趋势。这主要基于以下几方面的原因：

（1）数管计算机的性能较高，运算处理能力比较强，增加热控自主管理功能不会增加太多的工作量；

（2）数管分系统已具备的某些功能与热控仪实现的功能非常相似，例如数管分系统具有遥测采集和指令发送功能，这和热控仪的温度采集、回路状态量采集以及加热回路开关控制功能非常相似，而热控自主管理的算法由计算机实现，数管计算机的功能相对热控仪更加强大，完全胜任自主热控的算法；

（3）今后热控自主管理不再是独立工作，而是作为航天器自主管理中的一个环节，和其他自主管理功能结合起来，这需要和其他的自主管理交流很多信息，数管分系统是航天器的数据中心，有利于各项自主管理功能的统一规划、实施。

（4）数管计算机软件具有很强的在轨维护能力，能够为在轨热控自主管理算法和参数的调整提供便利。

（5）由数管计算机实现热控自主管理的智能控制策略，没有单独的热控仪，可以降低系统的重量、功耗，符合航天器电子系统轻小型化的发展方向。

4 结束语

实现航天器的智能自主管理是航天器发展的重要方向，我国目前在这方面与航天发达国家还有很大差距。与许多其他的自主管理还停留在理论和预研阶段相比，作为先行者，热控自主管理已在航天器上得到了广泛的应用。本文介绍了国内航天器上应用较多的几种热控自主管理技术的智能控制策略。在此基础上上，对热控自主管理智能控制技术及其实现方法的发展趋势进行了分析，提出热控自主管理将向自主管理的回路数量增加，精确化和智能化要求提高，控制器从独立设备走向和数管计算机融合的方向发展。而且，未来航天器将建立自主管理框架，热控自主管理作为其中的一部分，与航天器的其他智能自主管理相结合，以发挥更大功效。

（References）

［1］谭维炽，胡金刚．航天器系统工程［M］．北京：中国科学技术出版社，2009

Tan Weichi，Hu Jingang．Spacecraft system engineering［M］．Beijing：Chinese Science and Technology Press，2009（in Chinese）

［2］褚桂柏．空间飞行器设计［M］．北京：航空工业出版社，1996

Chu Guibai．Design for spacecraft［M］．Beijing：Aviation Industry Press，1996（in Chinese）

［3］万凯，任建勋，过增元．微热控百叶窗驱动器的分析与模拟［J］．工程热物理学报，2007（1）：125-127

Wan Kai，Ren Jianxun，Guo Zenyuan．Analysis and simulation of actuator of micro thermal louver［J］．Journal of Engineering Thermo Physics，2007（1）：125-127（in Chinese）

［4］范含林，黄家荣，刘庆志，等．载人运输飞船流体回路方案研究［J］．中国空间科学技术，2007（5）：38-43

Fan Hanlin，Huang Jiarong，Liu Qingzhi．Liquid loop schematic design of manned spacecraft［J］．Chinese Space Science and Technology，2007（5）：38-43（in Chinese）

［5］张伟清，宣益民，韩玉阁．免疫遗传算法在百叶窗最优化热设计中的应用［J］．中国空间科学技术，2005（10）：66-71

Zhang Weiqing，Xuan Yimin，Han Yuge．Application of immune genetic algorithm to the optimal thermal design of louvered panels［J］．Chinese Space Science and Technology，2005（10）：66-71（in Chinese）

［6］代树武，孙辉先．航天器自主运行技术的进展［J］．宇航学报，2003，24（1）：17-22

Dai Shuwu，Sun Huixian．Technical overview of autonomous control and on-board data processing for spacecrafts［J］．Journal of Astronautics，2003，24（1）：17-22（in Chinese）

［7］国防科学技术工业委员会．航天器数据管理系统通用规范，GJB 5418-2005［S］．北京：国防科学技术工业委员会，2005

Commission of Science，Technology and Industry for National Defence．General specification for spacecraft data handling system，GJB 5418-2005 ［S］．Beijing：Commission of Science，Technology and Industry for National Defence，2005（in Chinese）