QC案例：星敏支架精密控温研究

◆李 鹏 陈 菡 康奥峰 / 文

QC案例：星敏支架精密控温研究

◆李 鹏 陈 菡 康奥峰 / 文

编者按

上海卫星工程研究所是我国气象卫星的摇篮，成立至今已研制和发射40多颗卫星，“星辰”QC小组主要由航天器热控设计师组成，曾多次获得全国、上海市、航天系统优秀质量管理小组荣誉。本案例获得2016年上海市QC小组发表赛特等奖。

课题选择

FY-4卫星是我国新一代高精度气象卫星，星敏感器是卫星进行高精度姿态测量和轨道控制的重要仪器，其安装支架在不稳定温度场下的结构热变形，将引起星敏光学头部整体刚性位移，如离轴、离焦和相对倾斜，给星敏光学系统测量精度带来极大影响。为了保证卫星姿态确定精度，减小星敏支架热变形，需保证支架温度在17℃～23℃范围内，稳定性优于±0.1℃/15min。

可行性分析

QC小组围绕“基于星敏支架微热变形需求的空间热控技术”主题，开展头脑风暴，集思广益，分析形成3个备选课题：柔性高导热材料技术、全被动热控技术，以及精密控温技术。小组从技术能力、资源需求、技术难度及应用前景等方面进行评价。

通过评估，精密控温技术的控温能力最强、适应性最好、综合得分最高。因此确定本次QC活动的课题为：星敏支架精密控温研究。结合型号背景需求及当前技术能力，对标“十三五”航天热控领域发展规划，确定课题目标为：精密控温系统控温精度优于±0.1℃。

QC小组针对控温精度的三个关键影响因素温度采集与标定、控制算法、输出控制，进行了目标可行性分析。经理论分析结合国外研制经验，通过以下技术集成应用，可实现优于±0.1℃的控温精度，接近国外±0.03℃水平：

1）采用高精度铂电阻代替传统热敏电阻作为测温传感器，预计测温精度从0.3℃提高到0.01℃～0.1℃，并通过高精度温度采集与标定电路消除测温误差；

2）采用先进控制算法代替传统开关控制方式可极大提高控制精度与稳定性，从±0.5℃提高到±0.05℃；

3）采用高频控制输出，缩短控制周期，进一步提高控制精度与稳定性。

方案选择与确定

根据本课题高精度、自适应控温的特点，产品研制分解为三个主要研究模块：高精度温度采集与标定、自适应控制理论与算法、高精细化输出控制。

（1）高精度温度采集与标定

选取线性度、稳定性、互换性好、响应时间短的四线制铂电阻作为测控温传感器，这需合理地调理电路进行放大、转换与校准。经分析，选择700uA恒流源激励电流，16位A/D转换器，并进行标准通道+算法修正。

QC小组开展了误差处理方法对比试验。采用铂电阻测量恒温槽装置（温度精度0.01℃）内温度。结果表明：采用“标准电阻+算法修正”时测温偏差小于0.05℃，仅采用“算法修正”时测温偏差大于0.3℃，“无算法修证”时测温偏差大于0.5℃。

（2）自适应控制理论与算法

控制算法选取：算法是实现温度场高精度、高稳定、高自适应控制的关键。小组基于Matlab平台搭建了控制对象的动态模型，对不同PID算法的控温效果进行了仿真。引入瞬态外热流以及扰变内功耗考察算法抗干扰能力。实验显示，在内外扰动下，神经网络PID控制稳定性优于±0.05℃，显著优于传统位置式PID（±0.15℃）、增量式PID（±0.1℃）。

QC小组开展验证试验：采用空调吹风模拟对控制对象的扰动。在外界扰动下，神经网络PID控制稳定性和抗干扰能力显著优于传统PID。

参数整定及优化方案：PID参数Kp、Ki是决定超调量、稳定时间等控制性能的关键。对算法初始参数Kp、Ki合理的整定与优化，可以迅速建立精确、稳定的温度场。经小组仿真分析表明，采用单纯型ITSE方法参数整定超调量0.1℃，稳定时间约40min； Ziegler-Nichol法超调量、稳定时间分别为0.5℃、100min。因此，参数整定优化采用单纯型ITSE方法。

（3）高精细化输出控制

输出频率选取：在加热器控制量（PWM）输出端采用高频处理，使加热器开关控制无限近似于连续的电流控制，可极大提高控制稳定性。QC小组开展了频率对比试验。结果表明，频率越高控温稳定性越好，500Hz以上频率时控制效果十分接近，均优于±0.03℃。450Hz以下控制出现波动，超出±0.1℃。考虑软、硬件资源需求，确定输出频率为高频500Hz。

安全开关选取：卫星上常用的加热器开关控制器件为继电器和MOS管。为满足高速脉宽调制下长期可靠工作7年，且开关响应时间尽量短要求，经分析选用MOS管。

PWM调制方案选取：PWM调制量在每个周期内的分布情况影响最终控制效果，经分析确定采用均衡分布方式实现控制稳定。小组进行了PWM调制方案的对比试验，结果表明：采用PWM均衡分布控制效果明显优于集中分布方式，控制稳定性优于±0.03℃。

经过对模块研制方案的分析筛选，最终确定了最佳设计方案（见表1），制定了对策表（见表2）。

对策实施

QC小组依据上述对策表对各个模块进行了实施。

高精度温度采集与标定模块实施。小组成员编制铂电阻加工技术要求，明确四线制铂电阻要求，并对铂电阻进行验收，所有铂电阻精度均优于0.03℃。

小组成员编制铂电阻温度采集电路技术要求，明确了700uA恒流源及允许偏差、16位A/D转换等关键项目要求，全程参与装调过程，确保电路设计、元器件规格等符合要求。

小组开展单板测温试验和误差修正验证试验，结果表明：恒流源电流700±1uA，偏差0.15%；测温分辨率优于0.01℃，均满足要求；采用“标准通道+算法修正”方法，测温精度、稳定性偏差均≤0.03℃，优于±0.05℃，满足要求。

自适应控制理论与算法模块实施。小组制定了神经网络PID算法流程，并基于控制对象Matlab动态模型，利用单纯型ITSE法获得了整定后初始参数范围：Kp=1.4～1.6，Ki=0.03～0.05。为进一步提高参数选择精度，减小超调量并缩短响应时间，小组通过正交试验确定最优解：Kp=1.6、Ki=0.03。

表1 最佳方案

表2 对策表

小组随后开展了软件对接测试，控制对象初始温度约0℃，控温目标为20℃。测试表明：控温精度优于±0.1℃，控温初始超调0.33℃，响应时间约20min（6000采样序列）。

高精细化输出控制模块实施。QC小组成员编制输出电路技术要求，明确PWM控制量采用500Hz输出频率，开关控制元件采用MOS管，PWM控制周期内均衡分布要求。小组进行了输出模块单板电测以验证输出频率。结果表明：模块中PWM输出频率为500Hz。小组利用示波器对输出模块PWM分布波形进行了测试，PWM在控制周期内完全均匀分布，平均度100%。

效果检查

图1 控温对象温度结果控制图

小组根据对策表完成了3个模块的研制及验证，通过系统集成得到精密控温原理样机，搭建了星敏精密控温试验系统，开展了专项真空热试验，依据卫星在轨条件进行了转移轨道、春秋分、夏至等试验工况，全面考核精密控温系统性能。由试验结果控制图（见图1）可知，除在控制起始阶段（40min内）仅有的个别点外，其余试验期间内温度在20±0.03℃范围内。说明精密控温系统可靠性高，抗干扰能力强。

对课题目标（±0.1℃）进行过程能力分析，过程能力指数Cp=(TUTL)/6S=5.13，过程能力富余较多。如按当前国际最先进水平±0.03℃计算Cp=1.71＞1.67，过程能力仍富余。

至此，小组成员通过密切协作，本次QC课题目标圆满完成！

效益分析

经核算，本次QC活动共花费15.4万元。所研制的精密控温装置，控温达到国际先进水平，可广泛应用于高精度遥感卫星平台及载荷，具有巨大的直接和间接效益。

通过本次QC活动，小组成员在质量意识、创新意识、技术能力、QC知识、团队精神和工作热情等方面都有了不同程度的提高。

标准化

本次QC课题活动总计形成分析论证报告、设计报告、试验报告等技术文件15份，发表研究论文两篇，申请相关专利一篇。

（作者单位：上海卫星工程研究所）