高品质航天伺服产品及其实现途径探索

黄玉平，崔佩娟，安林雪，杨 磊，傅 捷

（1. 北京精密机电控制设备研究所，北京，100076；2. 航天伺服驱动与传动技术实验室，北京，100076）

0 引 言

中国航天伺服技术经过六十余年的发展，从面向航天领域逐步拓展到航空、航海、新能源、医疗康复等多个领域。面对未来的机遇和挑战，总结过往经验，本文提出了航天伺服产品发展的3个阶段，并对实现第3阶段目标给出了探索途径，为伺服技术的创新发展提供参考。

1 航天伺服技术发展历程

伺服机构是输出量为机械位移或其导数（速度、加速度或力）且以放大的功率复现输入量运动的一类反馈控制装置。

在航天领域，伺服机构与其驱动、控制的航天器操纵力矩产生装置（如可摆动的火箭发动机或发动机喷管等）一起构成飞行器姿态控制、轨迹控制、射程控制或机动飞行的执行机构。伺服机构按弹（箭）上控制装置发来的低功率指令，大幅度提高功率水平，精确定位操纵装置，产生作用于飞行器的俯仰、偏航、滚动操纵力矩，实现消除飞行器姿态偏差的运动。伺服机构驱动操纵装置实现飞行器飞行姿态控制有推力矢量控制、空气动力控制、直接力控制3种形式。

航天伺服技术是典型的战略新技术，不同的体制机制下有不同的发展路径。西方国家的航天伺服技术有明显的集约性，协作面广，协作配套性强，飞行控制执行技术（包括推力矢量控制、空气动力控制）、伺服作动技术、伺服能源技术、伺服测量控制技术等一般均由不同的公司独立承制，由负责飞行控制执行系统技术的公司抓总。中国航天伺服技术的发展路径是集中优势发展关键技术，形成了飞行控制执行系统技术、伺服作动技术、伺服能源技术、伺服测量控制技术主要由同一单位承担、完成的模式。

以北京精密机电控制设备研究所为主的中国伺服技术研发机构，坚持以飞行控制执行技术研究和伺服新产品研发、伺服系统研制生产为主业，在电动液压舵机技术、摇摆发动机推力矢量控制电液伺服技术、机械反馈电液伺服机构技术、引流发动机燃料电液伺服技术、涡轮泵式燃气电液伺服技术、三余度电液伺服技术、数字式电液伺服技术、飞行器空气动力控制伺服技术、中大功率机电伺服系统技术中取得了较大突破，如图1所示，形成了包括飞行控制执行技术、智能机器技术、大功率电驱动技术、特种电源技术、先进制造技术的5大优势领域，建立了较为完整的、适应中国国情的航天飞行控制执行专业技术体系和协作配套体系，伺服产品功能指标总体处于世界先进水平，支撑了中国主要航天工程建设，并拓展应用于舰船、飞机、机器人、新能源、环保、医疗康复器械等领域，形成了良好的发展局面。

图1 伺服专业技术九大台阶 Fig1 Nine Steps of Servo Technology

2 高品质航天伺服产品的内涵与发展特质

结合中国航天伺服技术的发展特质，可将航天伺服产品的发展分为3个阶段，如图2所示。

图2 中国航天伺服产品阶段发展构想 Fig.2 Aerospace Servo Product Stage Development Concept of China

高品质航天伺服产品的3个核心要素具体为：a）稳定性，有两个维度，时间维度，即在全生命周期内，产品随环境、工况等发生或正向、或负向的特性改变的程度，偏离预期的程度越小（不论正向、负向），产品品质越高；设计维度，即存在未设计到的特性、设计不合理、设计到但制造达不到等原因而引起的性能变化，变化越小，品质越高。b）一致性，是从产品维度来说的，即设计、工艺相同的产品性能指标的偏差大小和分布，将偏差控制在可接受的高水平，使设计与生产的性能趋向目标值，而不是趋向公差界限值。c）可靠性，反映产品的使用特性，与稳定性与一致性息息相关，依托涵盖理论、技术、工艺、制造、标准规范、测试方法、评估等全要素的先进设计研制体系的构建、发展与积淀。

目前，中国航天伺服产品已基本实现了第1阶段，正在向第2、第3个发展阶段迈进。

3 航天伺服产品高品质实现的途径初探

航天伺服技术是动力技术、传动技术、控制技术、测量技术和信息处理技术的紧密综合，航天伺服产品是将火工、流体、机械、电力、电磁、电子、材料、制造技术高度一体化的高技术产品。要实现以“稳定性、一致性、可靠性”为表征的高品质，可从加强基础研究，向数字化研发体系转型，开发飞行控制执行新原理、新技术等3个方面进行尝试。

3.1 加强基础研究是发展高品质航天伺服产品的关键

伺服产品在向高品质看齐的过程中，不再只关注功能指标的提升，更关注伺服产品内部各结构在外载荷影响下如何发生相互作用、在微观层面发生哪些变化、如何导致宏观层面能量的聚集与耗散，以及如何影响伺服系统整体性能稳定性、一致性。一方面，需要深入机理研究，强化理论表达；另一方面，紧抓影响性能提升的核心问题，拓宽放远视野，加强关键技术攻关。

3.1.1 高品质伺服产品的生成必须建立在对其内部运行机理深入与精准认识的基础之上

伺服产品作为一类复杂机电装备，一方面，受到热、磁、振动等外在环境因素的影响，内部还存在力、热、电、磁等多场大量非线性、不确定性因素，强弱因素交织耦合，另一方面，产品自身在特定环境、工况等条件下随时间必然会发生物理或化学特性的改变，并由此带来外输出特性的变化。

以伺服产品用螺旋传动机构在长贮后性能演化机理问题为例，会涉及介质、界面、机构等不同层面的基础科学问题，如长贮伺服传动机构润滑性能退化表征问题、脂润滑滚动螺旋传动界面摩擦与运动特性问题、状态评估与监测问题等，再进一步地挖掘上述基础问题，以脂润滑滚动螺旋传动界面摩擦与运动特性问题为例，可进一步分解出多个基础问题及相应的关键技术，包括启停重载摩擦学问题、闪温与稳态热问题、系统动态响应问题等，与之对应的需要攻关突破脂润滑界面瞬态混合润滑分析方法、界面闪温及热平衡分析方法、跨尺度激励下系统动力学分析等关键技术。上述的问题及与之相关的机理探究，都需要充分保障好资源、集智攻关，扎实开展基础研究工作。

3.1.2 紧跟技术发展突出问题导向的基础研究是航天伺服技术突破的重要途径

瞄准长期制约发展的基础性问题，需要拓宽放远视野，突出问题导向，加强关键核心技术攻关。

如伴随微纳技术的快速发展，针对航天伺服产品的滚动螺旋传动机构实时状态监测问题，结合高性能异质异构温度、振动、超声3类核心微纳传感器，通过构建多参量分布式微纳传感监测系统，形成新型滚动螺旋传动机构工作状态无线监测新方法，实现微纳传感节点的无线数据传输与远程监测，可为伺服传动机构性能评估与提升提供理论基础与数据支撑；如为了发展高功率密度容错伺服电机及驱动系统，伺服电机及驱动系统需要承受频繁的瞬变大电流冲击，这将有可能引发电机及驱动系统故障，从而使伺服系统功能丧失，严重影响系统及任务可靠性，针对该问题可以在现有断相容错控制技术基础上，进一步结合永磁同步电机磁系统退化对电机性能的影响机理、永磁容错伺服电机系统断路故障检测方法、永磁电机伺服系统容错拓扑的优化设计、永磁电机伺服系统的高精度建模等基础研究工作，探究适应于伺服工况下的电机驱动系统故障诊断方法实现对故障的准确快速的诊断，并结合现有容错伺服电机系统方案，进一步优化和改进控制算法，有效支撑航天伺服系统的高可靠要求。

3.2 数字化研发体系转型是发展高品质航天伺服产品的基石

传统的以追求“功能/性能指标达成性”为目的的设计模式已无法满足技术发展的要求。因此必须实施数字化研发体系转型，以模型为核心，在数字域充分探究伺服产品底层运行机制，全面考察内、外因素耦合影响规律，同时，在设计之初即同步开展多学科仿真与虚拟试验，加快设计-验证-优化迭代周期，在保证高效率的同时追求高品质。向以“模型”为核心的数字化研发体系转变，就是要对设计、试验、生产制造各阶段进行数字化转型，在伺服大系统设计、多学科联合仿真与设计优化、优质制造等方面发力，通过模型表达设计理念、展示系统架构、传递设计参数。

3.2.1 伺服大系统设计

伺服大系统是指将输入指令、工作环境、负载对象全部纳入伺服系统设计范围。如此，原本作为伺服系统外部特性的随机输入量，就可转化为飞行器大系统可优化的一个内部状态变量。当飞行器大系统进行方案设计优化时，将伺服大系统也作为其中的设计优化环节，从而进一步提升伺服系统乃至整个飞行器的性能。文献[1]是美国空军火箭推进实验室在1972年发布的先进推力矢量控制初步设计计算机程序。该程序实现了从飞行轨迹设计与评估、推力与控制力计算、控制执行系统方案设计到最终飞行器大系统性能预测的自动化设计流程。其中，控制执行方案设计的对象包括几乎所有执行机构：液体喷射推力矢量控制（Liquid Injection Thrust Vector Control，LITVC）、热气推力矢量控制（Hot Gas Thrust Vector Control，HGTVC）、常平座、球窝喷管、柔性接头、喷气档板、空气动力面等。

从公开报道来看，美国飞行器性能很好，但对伺服的要求却不算高，间接证明该程序在优化设计方面发挥了作用。因此，在设计阶段进行数字化转型时，以伺服大系统为研究对象开展需求分析和方案设计，构建参数化模型，参与飞行器大系统方案设计优化迭代，实现对伺服系统功能、性能、品质的进一步提升。

3.2.2 多学科联合仿真与设计优化

由前述可知，伺服系统是一个涉及电、磁、力、热、液、控等多个学科领域的复杂强耦合系统，高性能伺服回路的设计是一个极为复杂的问题。以机电伺服控制回路设计为例，当前的典型设计流程见图3。

在图3第3步时，一般总能寻找到合适的控制算法和参数，使系统满足任务指标，完成一轮方案设计。但通常情况下，这并非最优设计。要使方案在伺服系统设计边界内最优，多数情况下需对控制回路内的硬件（即控制对象）进行优化。钱学森曾对伺服回路硬件优化设计问题提出过著名论断：“在伺服机构的工程实践中，如何通过修改系统的物理元素来实现传递函数中的这些预期变化，还只是一门艺术”[2]。但随着电子技术、信息技术、计算技术和控制技术的不断发展，以及对伺服系统内物理元件的机理、性能、相互作用的理解不断深入，将“艺术”变为“科学”成为可能。

图3 当前伺服控制回路设计典型流程 Fig3 Typical Flow of Servo Control Loop Design

2017年北京精密机电控制设备研究所、哈尔滨工业大学、北京理工大学在国防基础科研项目支持下，开展了新型伺服系统多学科联合仿真与设计优化技术研究，突破了伺服系统多学科融合建模技术、伺服系统自适应近似优化[3]等主要关键技术，构建了伺服系统多学科联合仿真与设计优化演示平台[4]，设计优化原理见图4，实现了控制、电力电子、电磁、动力学4个学科的协同仿真，可以大幅度缩短产品设计周期。

图4 伺服系统多学科联合仿真与设计优化原理 Fig.4 Schematic of Multidisciplinary Integration Simulation and Design Optimization of Servo System

虽然此项研究为伺服系统设计效率的提升奠定了基础，但对于多目标、多约束设计问题，多数情况下仍然不能以解析方式得出系统最优解。主要原因在于，构建的多学科联合仿真模型仍然不够细致，现有模型参数不足以完整描述系统性能。

因此，在对设计方案进行迭代优化与验证的数字化转型过程中，要注重对伺服系统底层运行机制的深入挖掘，构建基于设计参数的多学科多物理跨尺度耦合模型，同时充分利用智能算法、高性能计算技术，积极探索复杂系统多物理模型统一解算方法和多目标优化算法，实现将“艺术”变为“科学”。

3.2.3 优质制造

伺服产品高品质的实现，与制造过程的质量控制紧密相连。《中国制造2025》[5]指出，将质量作为建设制造强国的生命线，林忠钦院士提出了“优质制造”的概念并对其内涵、特征进行了定义，突出强调了需要面向产品全生命周期，综合应用大数据技术、智能技术、工艺优化技术等共性关键技术[6]。

在此大背景下，航天伺服产品在制造方面，针对当前存在的设计制造串行、系统设备孤立、生产制造模式落后、数据不能互通共享等现状，探索以数字科技支撑航天智能研制的新模式，以研制+生产大数据聚集为核心、全过程数据驱动为手段，打通运行管理、设计、生产、验证各环节，以期基于数据智能分析达到设计、生产、验证各环节过程迭代优化，打造智能研究所智慧化管理新范式。同时，需要研究设计生产制造一体化实现过程中存在的问题，搭建专家知识库和经验数据库，挖掘具有指导意义的理论、方法及流程，形成基于设备的工艺参数优化方法，并使知识库具备参数化和智能化的功能，在设计制造与验证中实现人机融合，对积累的文档进行评估，归纳总结在实操过程中的有效方法，使之能够形成数据库与人工智能相结合。智慧+研究所层级架构如图5所示。

图5 智慧+研究所层级框架 Fig.5 Framework Diagram of Intelligence Plus Institute

3.3 探索飞行控制执行新原理是实现航天伺服产品超越发展的有效途径

对标航天强国要求，中国规划了一系列重大航天工程：重型运载火箭、天地往返运输系统、在轨服务、深空探测等。飞行器技术的跨越式发展对伺服产品创新形成强势牵引，对伺服技术的性能指标、环境适应性、可重复使用性、智能化程度等提出了极高要求，例如未来先进飞行器的飞控执行将由目前单一的空气动力控制或推力矢量控制向结合变形机构、直接力控制等的多元复合控制发展，其中变形执行机构技术涉及多专业的深度融合，基于当前原理的主流技术方案已难以实现指标要求，

立足航天伺服核心专业和飞控执行发展趋势，围绕航天跨代式装备对伺服机构提出的动态响应、比功率、精度、噪音等高功能指标需求以及宽域瞬变环境下的低冲击应力等高性能指标需求，探索航天伺服新概念和新技术，从技术原理创新、颠覆应用创新等维度，探索与现有伺服机构具有本质特征不同的新型伺服机构机理与方法，开展架构、原理、算法、材料、器件、工艺等方面的技术研究，自主创新，在动静态精度、轻质化等功能指标、使用性、环境适应性等性能指标方面取得质的突破，并增强对于输入、负载以及环境的不确定性的处理能力。

4 结束语

本文对航天伺服技术的发展及其高品质实现途径进行了综述。重型运载火箭、天地往返运输系统、在轨服务、深空探测等一系列重大航天工程的建设对伺服产品创新形成强势牵引。未来飞行器将更加多功能化，必然对伺服技术的性能指标、环境适应性、可重复使用性、智能化程度等提出更高的要求，也为伺服技术的可持续发展提供了机遇和挑战。