基于1553B总线三冗余飞行控制系统设计与可靠性研究

对系统可靠性的探讨一直是航天飞行器设计过程中的首要议题，飞行控制系统作为核心系统，一旦出现故障会导致整个飞行任务的失败。以提升飞行可靠性需求为出发点，提出了一种基于1553B总线的飞行控制计算机三冗余设计方案，给出了冗余飞控系统的架构设计、控制板硬件构成、三模块同步方案和表决算法等设计方法，完成了飞行控制系统的冗余设计策略研究。为适应飞控系统的国产化、小型化、轻质化设计趋势，采用了基于国产SoC芯片的SiP模块以实现工程化。为研究三冗余系统方案可靠性，分析其工作状态建立了Markov模型。最后以Simulink图形化建模方法完成了相关仿真，通过对系统进行典型故障注入验证了冗余管理算法，仿真结果表明提高系统故障检测覆盖率有利于增强系统可靠性。     

一种高可靠宇航控制器设计及可靠性评估

将8051、存储器等IP核集成在FPGA内部, 可实现宇航控制器高可靠、小型化的应用需求。但FPGA在空间环境中容易发生单粒子翻转事件（SEU）,影响系统正常功能,常采用在FPGA内部进行三模冗余（TMR）设计。针对三模冗余系统无法纠正配置区中发生的SEU故障,提出了一种采用三模冗余架构并对FPGA配置区域进行刷新重载的解决方案,同时采用马尔可夫模型对该设计方案进行了可靠性评估和仿真。结果表明,采用该设计架构的宇航控制器具有较高的可靠性与安全性,可实现飞行器的长期稳定运行。     

三余度飞控系统余度管理算法设计与研究

为了提高无人机飞行控制系统的可靠性,针对样例飞行控制计算机分布式架构的特点设计了余度管理策略。针对多CPU同步困难及同步后的积累性时漂误差问题,通过任务同步算法和简化版的TPSN同步算法相结合实现了各CPU之间的时间同步,有效地降低了时漂带来的影响,同步精度可达到0.1毫秒以内。采用基于“距离”的封装表决算法完成三余度决策输出功能,降低了开发的难度,减少了传统方式的代码冗余。采用系统重构策略对故障CPU进行管理,通过系统降级与故障恢复提高系统可靠度。最后对关键环节进行了功能测试,测试结果表明各环节可达到功能和指标要求,验证了所提出的余度管理策略的合理性和有效性。     

海底观测网分支单元设计

分支单元是海底观测网中实现海缆分支连接的重要设备,在海底观测网的电能传输和故障隔离过程中发挥着不可替代的作用;提出一种低功耗、高可靠性分支单元的设计方案,该方案利用稳压二极管为内部电路供电,利用电容充放电原理设计启动电路实现分支单元的自启动,采用故障识别隔离算法完成不同类型海缆故障的识别隔离;设计了应用于-1 000 V输电电压的海底观测演示验证网分支单元,试验验证了分支单元的各项功能,证明设计方案的可行性和可靠性。     

采用MSP430的舵机控制系统设计及实现

航空电动舵机是飞行器控制系统的关键组成部分,为航空舵机设计高性能的控制器具有重要意义;针对航空舵机,设计并实现了一种采用MSP430单片机的稀土永磁无刷直流电机的舵机控制系统;提出系统的复合伺服控制策略并设计了控制系统结构;设计硬件与软件系统实现复合伺服控制并进行随动实验测试,实验结果显示系统跟踪误差小,无超调量和静态误差,表明系统具有很好的稳态和动态特性,控制效果良好。     

基于切换参数PI控制器的运动控制系统设计与实现

运动控制系统已被普遍应用于各个方面,其关键技术即要解决控制的精准度与快速性。大多数的运动控制系统,都是运用PID+速度/加速度前馈来实现,同时利用遗传算法或神经网络算法进行PID的参数整定;为了使控制更为精准,减少运动过程中的震荡,运动控制过程中考虑进行P/PI条件切换,在Matlab/Simulink环境下,利用回调函数,同时加入滤波器进行平滑处理,构建了速度控制模块、伺服电机仿真模块,分别对遗传算法整定的PI参数和条件切换的PI参数控制进行比较,实验证明带P/PI参数切换的运动控制系统会获得更快速准确的运动结果,同时该仿真模型的建立为运动控制系统的设计和调试也提供了比较方便的思路和方法。     

基于国产CPU的并行冗余计算机系统研究

目前国家不断推进的国产自主可控信息系统建设,其核心国产计算机系统由于技术成熟度低、市场推广晚等原因,暴露出可靠性低、稳定性差的问题,直接导致系统功能无法成功应用。围绕国产化计算机系统的并行冗余架构开展研究,通过计算机系统架构的软硬件设计,以及高速缓存一致性架构、高速互联总线和三状态转换机制方法的应用,基于国产CPU 并行冗余计算机系统,可以有效消除备份计算机系统进行当班切换时,存在的切换时间延时和切换过程数据丢失的问题。通过试验验证,该系统可以完成计算机系统中CPU处理器和功能桥片故障模式的容错处理,并保障信息数据的完整性和实时性,有效提高设备中计算机系统的工作可靠性与稳定性。     

鲁棒PDF控制策略在永磁同步电机系统中的设计及仿真

对电机控制系统的经典反馈设计方案是建立在简化的受控对象模型基础之上,而实际模型参数的变化会引起控制系统性能的改变。本文针对实际应用的永磁同步电机,为了保证电机控制系统的强鲁棒性,通过对其系统灵敏度的理论推导,给出了一种新的控制器参数设计方法。该设计方法以系统灵敏度为评价指标来度量系统的鲁棒性,结合应用于二阶控制对象的伪微分反馈控制器结构,来削弱控制对象参数值的改变对控制系统性能的影响。并建立了精确的永磁同步电机仿真模型,将该方法应用于其速度控制。仿真结果表明在该控制方案下,在永磁同步电机的转动惯量和定子电阻值变化时具有较小超调量变化(小于4%)的响应特性。同时与普通PID控制对比分析,验证了用该方案设计的PMSM调速系统具有较高的抗参数变化的鲁棒性。     

基于节点健康度的无线传感器网络冗余通路控制方法

广泛应用于各种物理参数测量领域的无线传感器网络,因其节点具有能量供应有限、硬件资源有限、数目众多、自组织和动态拓扑等特点,使得网络极易发生故障,从而高可靠、低故障是其运行的基本要求.本文针对多冗余通路设计的无线传感器网络故障预防方法存在工作状态冗余节点过多、能量大量浪费的问题,提出一种基于节点健康度的冗余通路控制方法.该方法利用汇聚节点收集网络内所有节点能量状态,计算节点健康度等相关参数,使用A-Star算法选择最优工作通路,控制其余冗余通路分批轮流休眠,从而达到减少和均衡网络工作过程能量消耗、预防某些节点能量提前耗尽导致网络能量故障发生的目的.仿真实验和实际节点实验的结果表明,在保证网络适当冗余通路的前提下,与其他相关方法比较,该方法可以显著均衡网络能量消耗,有效预防节点能量故障提前发生,明显延长网络寿命.     

具备重构能力的三模冗余器载计算机研究

器载计算机是航天器电气系统的重要组成部分,需要冗余技术来满足其高可靠性运行要求。为了保证航天器上计算机在出现异常故障时仍能正常工作,对传统三模容错结构、具有降级功能的三模容余结构的体系结构、算法原理、关键技术等内容进行了研究。综合使用多种检测机制确保可靠锁定故障机,基于故障机无法修复时再逐步降级使用的策略,以正常工作的当班机为基础,通过故障机在每个流程的开始读取刷新后的当班机指针和重要状态参数并在流程的结束向当班机发送同步请求的方式,提出了一种具备重构能力的三模冗余器载计算机设计方案,设计了三模冗余重构流程,使故障机具备自修复的能力。实践表明,该重构方法能有效地提高器载计算机系统的可靠性,对高可靠器载计算机设计与实现具有较好的工程参考意义。     

一种FlexRay总线通讯测试系统设计

FlexRay总线作为一种高速、灵活、可靠的串行通信总线,已逐渐成为汽车网络的主流。为了验证该总线技术在航天技术应用上的可行性,设计了一个基于TMS570LS3137安全控制器和PXI8517集成测试板卡的FlexRay总线网络测试系统。从硬件设计、平台搭建、协议规范、节点设计、网络定义等方面介绍了测试系统的设计方案,实现了网络中各个节点之间的同步和数据收发,最终实现了FlexRay网络之间的通信。试验结果表明了FlexRay网络通信系统的可行性和可靠性,并以其高速和强冗余特点成功应用于国家863项目机电作动系统研制项目中。     

多模冗余可重构计算机可靠性研究

为了以最小代价提高多模可重构计算机的可靠性,需要结合系统体积功耗等因素,对不同计算机体系结构的可靠性进行评估。首先,针对三模冗余、三热一冷以及四模热备这几种不同冗余可重构计算机体系结构,给出了他们的故障状态转移图。其次,运用马尔可夫模型理论,对这些计算机结构进行可靠性建模。第三,根据上述三种系统的可靠性模型,在考虑失效率和维修率两个参数对系统可靠性影响的情况下,对各结构的可靠性指标进行了评价。结果表明,三热一冷的可靠性大于三模冗余,而小于四模热备。但综合考虑系统的可靠度、体积、功耗等因素后,在这几种形式的表决系统中,三热一冷是最优的。同时,设计完善的三模可重构系统可靠度会比一个设计不合理的四模可重构系统要高。     

Electromagnetic viewpoints on a 200 kW MgB2 induction heater

In this paper an electromagnetic system for a 200 kW MgB₂ induction heater was designed to verify the feasibility of MgB₂ superconductor in a DC induction heating system. The final master plan connects the electromagnetic design to the cryogenic and mechanical designs including the required measurement system. The electromagnetic design consists of conductor development, dimensioning the superconducting magnets and the quench protection system analysis. The coil system must guarantee appropriate heating distribution in the aluminium billet. The conductor has to fulfill the requirements of the current carrying capability required by the coil design. Furthermore, the conductor layout and constituent materials affect greatly to the coil stability in fault conditions. The coil behaviour during a fault was studied by quench simulations. The protection system design was based on the results of the quench analysis.     

Constrained Active Fault Tolerant Control Based on Active Fault Diagnosis and Interpolation Optimization

A new active fault tolerant control scheme based on active fault diagnosis is proposed to address the component/actuator faults for systems with state and input constraints. Firstly, the active fault diagnosis is composed of diagnostic observers, constant auxiliary signals, and separation hyperplanes, all of which are designed offline. In online applications, only a single diagnostic observer is activated to achieve fault detection and isolation. Compared with the traditional multi-observer parallel diagnosis methods, such a design is beneficial to improve the diagnostic efficiency. Secondly, the active fault tolerant control is composed of outer fault tolerant control, inner fault tolerant control and a linear-programming-based interpolation control algorithm. The inner fault tolerant control is determined offline and satisfies the prescribed optimal control performance requirement. The outer fault tolerant control is used to enlarge the feasible region, and it needs to be determined online together with the interpolation optimization. In online applications, the updated state estimates trigger the adjustment of the interpolation algorithm, which in turn enables control reconfiguration by implicitly optimizing the dynamic convex combination of outer fault tolerant control and inner fault tolerant control. This control scheme contributes to further reducing the computational effort of traditional constrained predictive fault tolerant control methods. In addition, each pair of inner fault tolerant control and diagnostic observer is designed integratedly to suppress the robust interaction influences between estimation error and control error. The soft constraint method is further integrated to handle some cases that lead to constraint violations. The effectiveness of these designs is finally validated by a case study of a wastewater treatment plant model.     

光伏应用系统远程监测平台设计

随着太阳能发电技术的不断发展,光伏应用系统越多的被工业单位和个人使用。通过对光伏应用系统的分布形式进行归类,阐述了光伏应用系统远程监测平台的设计方案。在研究分析无线自组网技术和无线数据传输技术的基础上针对光伏应用系统的分布特点,将嵌入式技术,ZigBee技术,GPRS-DTU技术以及互联网Web监测技术之相结合,设计了一种光伏应用系统远程监测平台。该平台能够有效完成数据采集、组网、远程监测等预期要求,最后通过实验验证了该平台的可行性。     

远场天线自动测试系统的研究与实现

针对天线参数测试过程及测试要求,分析在天线参数测试中的主要问题,研究实际测试过程中环境因素对天线参数测量结果的影响,提出了一种基于虚拟仪器技术的远场天线性能参数自动测试系统的设计方案,详细阐述了该方案的系统组成部分与工作原理,包括矢量网络分析仪、天线测试转台与吊杆的控制原理以及数据采集的时序设计,结合Matlab实现了对影响因素的误差补偿与天线性能参数的测试计算方法,利用数据库技术实现天线测试数据的存储、读取与报告打印,通过现场测试试验验证了该方案的可靠性与可行性。     

双余度发动机状态监测技术的研究与应用

在飞机、舰艇、装甲、汽车电子控制系统中采用双余度发动机状态监测技术,能够有效提高飞机、舰艇、装甲、汽车运行的安全性和可靠性,以某型涡轴发动机为研究对象,对双余度发动机状态监测技术进行了深入研究,研制了双余度发动机状态监测系统,介绍了系统的总体设计、软硬件设计、余度设计,虚拟仪表设计,并在双余度发动机状态监测系统的设计中引入了嵌入式PC/104模块;为了使状态监测系统具有更好的扩展性和适应性,将系统设计成可以在两种方式下工作:机载运行方式和地面试车方式,通过这两种方式对发动机状态进行自动监测,为发动机的状态趋势分析、故障诊断和视情维修提供科学的依据;采用双余度发动机状态监测技术研制的某型涡轴发动机状态实时监测系统经过了大量的地面试验和某型直升机上试飞试验,功能、性能满足要求,目前该系统已在某型直升机上得到应用。     

包米勒PLC在蛇形造波机设计中的关键技术研究

蛇形造波机是一种在海洋工程研究领域中,用于模拟大范围海浪的阵列式实验设备。为了进一步提高大范围海浪模拟的精度,蛇形造波机同步控制性能的提高具有十分重要的意义。针对包米勒PLC的运动控制技术进行研究,提出了基于其具有多级主从式结构的蛇形造波机同步运动控制系统,实现所有造波单元的严格同步控制。针对上位机和各PLC间数据量大、传输速度慢的问题,采用无损数据压缩和线性数据插值降低数据量,并应用多线程以太网通讯方式提高数据传输速率。另外由于该系统机械结构惯量大和总体负载大的特点,存在启停过程中电机过流问题。为此提出了一种基于余弦函数的拟合算法优化造波机启动和停止过程。在各个性能指标的验证实验中,该系统运行稳定,数据传输速度快,同步性能高,完全满足大范围海浪模拟要求。