一种针对大尺度发射筒的温控技术

韦 坚，王小军，梁财海，郝欣伟



一种针对大尺度发射筒的温控技术

韦 坚，王小军，梁财海，郝欣伟

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

温控系统是导弹发射平台控制系统的重要组成部分，发射筒温控系统的综合性能在导弹机动发射平台可靠性、安全性等方面起着重要的作用。首先论述目前发射筒温控系统的现状，根据发射筒结构复杂、尺寸较大且内部流场不均等特点，研究基于分布式光纤测温的模糊温控技术。通过模拟试验和仿真分析的研究，分析温控技术方案的可行性及有效性，探索新型温控方式对于大尺度发射筒的适用性，这对发射筒温控技术的发展是一项有益的尝试。

发射筒；模糊温控；分布式；测量

0 引 言

导弹作为复杂的武器装备，为了保持其优良的性能，对其存储环境有严格的要求。温控系统通过对发射筒内的温度进行控制保证弹体处于适宜的环境中。随着导弹等武器装备的发展，发射筒温控系统的综合性能在导弹机动发射平台可靠性、安全性以及生存能力等方面起着越来越重要的作用[1]。

发射筒作为导弹的载体，其长度尺寸较大，在紧凑的结构布局下，发射筒内壁与弹体之间间隙很小，加上支撑弹体的适配器限制，导致调温气流流通不畅，筒内温度场分布不均匀。采用的热敏电阻单点测温方式获得的测温值很难反应发射筒内温度的分布情况，针对这种复杂的大滞后、非线性对象，难以对其进行建模分析，因此温控算法与控制对象匹配性不佳。目前，温控策略主要以测温值为依据，由于所获的信息量少和温控算法的匹配性问题导致了发射筒温度控制的难度较大，温度控制效果不理想。这在一定程度上制约了温控技术的发展。

分布式光纤测温是近年来迅速发展的一种崭新的分布式传感技术。若将其应用于发射筒温度测量，可以获取光纤分布区域的温度信息，实时了解筒内温度场的分布情况。对于大滞后、非线性的系统，模糊控制算法可以利用分布式测温系统所获得的温度场信息进行模糊推理，从而进行发射筒温度控制。

1 分布式光纤测温的技术原理及分析

1.1 分布式光纤测温技术分析

光纤测温法由英国南安普敦大学在1981年提出，其基本原理是将感温光纤置于待测物体上，由脉冲光源向光纤中发射一束激光脉冲，光脉冲在光纤中传播，发生拉曼散射效应，光纤中每一点均向后产生散射光，散射光包含两种波长不同的光，分别称之为斯托克斯光（Stokes）与反斯托克斯光（Anti-Stokes）[2]。温度不同则拉曼散射效应产生的反斯托克斯光强也不同，斯托克斯光对温度基本不敏感可将其作为参考光，需将两者采集并进行处理，解调出温度和位置信息。测量的温度与散射光强的关系为[3,4]

在0~100 ℃范围内，拉曼散射的比值近似于一个线性方程，均为线性方程的系数，该方程可表示为

（3）

（5）

结合式（5），温度关系式可表达为

（7）

根据式（8）进行线性解调求出线性参数后，再对温度进行标定，即可根据线性参数计算出各点温度，各测温点与初始位置的距离可以利用入射光和后向散射光的时间差进行计算，从而实现各温度点的定位。分布式光纤测温系统的核心部分在于数据采集与处理，测温系统主要由脉冲光源、波分复用器、APD光电转换模块、测温光纤和高速数据采集卡组成。

1.2 分布式测量与点式测量的对比分析

热敏电阻测温法作为传统的点式测量方式，广泛应用于逐点的测量场合，其最大的优点是稳定性较好。常用的Pt电阻已被国际标准ITS-90规定在961.78 ℃以下作为标准温度计使用[5]。测温精度主要由Pt电阻精度和A/D转换的精度决定，8位A/D转换电路最大误差在0.5%以内。测温范围在-40~100 ℃时，测量误差在±0.5 ℃范围之内。

目前分布式光纤测温并没有现行的国际标准，根据各个厂商提供的数据分析可知，其测温的范围大致在-40~200℃，测温精度为0.5 ℃。稳定性方面，长期运行时光源会产生波动，且光纤中的损耗特性和受激散射效应，使稳定性受到影响。分布式的测温方式，可以便捷地获取光纤分布区域的温度，因此相比于点式测量，分布式光纤测温能够更多地反应发射筒温度场的信息。

2 基于分布式光纤测温的温控系统分析

将模糊控制结合分布式光纤的测温法应用于温控系统时，温控系统模糊控制的基本原理如图1所示。对于多变量的系统，由于人的思维通常不超过三维，因此多变量模糊控制器的设计一般要进行结构分解以利于理论上的设计和功能结构上的实现[6]。

图1 温控系统模糊控制基本原理

温控系统中有3个输入量和2个输出量，它们是作为模糊语言变量存在，这样的语言变量应用于模糊控制的方式可以通过五元体进行表征，其中环境温度的五元体如图2所示。

由图2可知，环境温度如何从语言变量映射至相应的数值论域，在完成语言变量至数值论域的映射之后，即可通过设定相应的模糊控制规则，进行推理逻辑设定，进而实现模糊控制器的推理设计。

图2 环境温度语言变量的映射关系

对于多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）模糊控制器，其规则库有如下形式[7,8]：

（11）

因此，所有条模糊控制规则的总模糊蕴涵关系为

（13）

完成输入、输出的隶属函数和模糊控制规则的设计后，即可得到控制器的输入输出特性曲面如图3所示。

图3反映了通过模糊控制规则推理出的进风口温差值、温度场方差和循环风量的关系。从图3可知，循环风量主要的影响因素为温度场温度值的方差，方差表征的是一个温度场的均匀程度，方差输入量大时，需要较大的风量使流场能进行对流从而达到热平衡。综上，模糊控制器的设计合理。

图3 模糊控制输出特性曲面

在Labview平台上对分布式光纤测温系统进行开发，通过算法对散射光强进行解调和温度标定，同时对光纤光路的损耗进行指数补偿。分布式测温系统的测温效果通过试验的方法进行验证，将测温光纤置于温度为27.4 ℃的环境中，并从中抽取6 m的光纤置于初始温度为41.5 ℃的水域中，分布式测温效果曲线如图4所示。

图4 分布式测温系统测温效果

图4中，在测量27.4 ℃的环境温度时，最大测温值为28.2 ℃、最小测温值为26.7 ℃、水域温度为41.5 ℃时，可以看到尖峰部分的温度为42.06 ℃，从控制系统角度，测温精度基本能够满足系统的要求。

下面通过模拟试验的方式，对温控系统进行分析，将测温系统所得值（见图4）作为模糊控制器的输入，其中0~20 m的测温平均值作为环境温度值，30~80 m测温值作为发射筒内的温度值，75~85 m测温平均值作为回风口的温度值。根据上述输入得到的温控系统输出如图5所示。

图5 模拟试验温控系统输入和输出关系

由图5可知，根据测温值可求得回风口温差值为-2.4 ℃（参考值22 ℃），温度场温度方差为0.557，环境温度为27.1 ℃，控制的目标为保持发射筒内的温度为15~30 ℃时，温控系统的输出为加热、制冷量约为0，循环风量为0.7。控制器通过风量对温差较大的情况进行调节，而不进行加热、制冷的调温动作，使系统能够达到一个合理的平衡状态。

若是采用点式测温值作为温控的判定依据，则难以判断筒内温度场的情况，因此控制效果并不理想。

3 结 论

利用分布式光纤测量发射筒内的温度，可以简捷地获知发射筒内温度分布情况，结合模糊控制策略，通过模拟试验分析表明，此种温控方式更能随筒内温度的变化进行有效调节。研究基于分布式光纤测温的模糊控制技术对于提升温控技术水平是有益的尝试，同时也能够为探索发射筒温控系统的发展提供思路。

[1] 李健, 常晓权, 刘君. 远程导弹发射平台生存能力浅谈[J]. 飞航导弹, 2011(7): 80-84.

[2] 李军, 卞超, 吴珺. 电力电缆光纤测温在线监测系统[J]. 江苏电机工程, 2005, 24(1): 6-7.

[3] 李建中, 饶云江, 冉曾令. POTDR分布式光纤传感及其在安防监测中的应用[J]. 光子学报, 2009,38(11): 2789-2791.

[4] 侯培国. 分布式光纤温度传感系统的理论与实验研究[D]. 秦皇岛: 燕山大学, 2003.

[5] 杨伟涛, 苗风东, 倪邦发. 基于ARM的热敏电阻温度计的设计[J]. 现代电子技术, 2007(8): 59．

[6] 周其鉴, 李祖枢, 陈民轴. 智能控制及其展望[J]. 信息与控制, 1987(2): 39-45.

[7] 倪桂杰, 郭巧菊. 基于模糊控制器控制规则的提取[J]. 自动化仪表, 2002, 23 (3): 17-20.

[8] 王耀南, 孙炜, 等. 智能控制理论及应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2008.

Temperature Control Technology ofLarge-scale Launcher Canister

Wei Jian, Wang Xiao-jun, Liang Cai-hai, Hao Xin-wei

(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

Temperature control system is an important part of the missile launch platform. The comprehensive feature of the system plays an important role in reliability, security and other aspects of missile mobile platform. This paper discusses the current status of the tube temperature control system, according to the complex structure of launcher canister, the large size and the uneven problem of internal flow field, the research is mainly focused on fuzzy temperature control technology based on distributed fiber optic temperature measurement. By researching the simulation experiment and simulation analysis, this paper analyzes of the feasibility and effectiveness of the new control technology and explores the applicability of new control way for large-scale launcher canister, which is a useful attempt for temperature control development.

Launcher canister; Fuzzy temperature control; Distribution; Measurement

1004-7182(2016)03-0089-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160321

V553

A

2015-08-14；

2015-10-20

韦 坚（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向为智能控制算法及分布式测量技术