航天装置在发射升空过程中，要承受加速度、温度、压力、振动和噪声等复合因素的作用，为保证该过程中的安全性和稳定性，对其内部各种元器件的可靠性提出了越来越高的要求.但是参数可控性差、环境污染、成本高和不可重复等客观条件，为实际飞行状态下检测元器件的可靠性带来了很大困难.地面模拟试验，能够在很大程度上模拟航天装置发射升空过程中的环境因素，有效避免实际飞行状态下的客观不利条件，为元器件的检测提供了一个新的途径，因此，地面模拟试验具有重要的理论和现实意义^[1].

综合离心压力控制系统用离心机转动时的向心加速度模拟试件要求的过载；外压控制系统根据实时测量的加速度值 (过载值) 同步施加气动载荷，模拟试件飞行过程中的气动载荷环境^[2].通过离心环境下外压协调加载控制方法，可研究试件在该环境应力作用下和作用后性能的变化.

为保证离心环境下外压加载试验的有效性，需要在离心加速度加载的同时同步施加气动载荷，根据要求，同步精度在加载过程中的误差应小于5%，在各级载荷测量时误差应小于2%.另外，由于系统加载的压力值通过加速度值计算获得，应保证加载过程中的加速度传感器值准确有效，保证试件的安全.

为满足综合离心环境下外压控制系统对安全性和控制精度的要求，本文设计了基于加速度传感器余度的双闭环控制算法.实测结果表明，该算法满足了系统性能要求.

1 系统硬件组成

如图 1所示，压力控制系统的硬件主要由气源气路、控制器、传感器、执行器和被控对象5部分组成^[3].

气源为控制系统提供加载所需的压力气体；控制器采用上位机和下位机结构，下位机选用NI PXI 8108实时嵌入式控制器，压力控制程序运行于该实时系统，上位机为用户与下位机交互界面；压力传感器负责采集被控对象的压力信号，然后通过模数转换卡转换后传送到控制器；主加速度传感器负责采集试件几何中心、重心或敏感点的加速度，另外增加两路辅助加速度传感器分别采集试件最近和最远端所承受的加速度载荷值；开关阀用来通、断气路；比例压力阀接收压力控制器的指令信号，调节阀口开度.比例压力阀具有内闭环功能，其内置压力传感器将阀出口处的压力值转为电信号反馈至比例压力阀中的压力调节器，与控制电流值比较，如存在偏差，压力调节器控制比例压力阀的开度，从而控制阀出口的压力值，实现比例压力阀的内闭环控制；皮囊为弹性体，作为加载装置，为被控对象.

2 离心环境下外压协调加载控制方法设计 2.1 控制系统设计

单回路压力加载控制原理如图 2所示.压力控制系统根据压力加载谱和加速度传感器采集的加速度信号实时插值计算此时加载的压力设定值，并与压力传感器实时测量的皮囊的压力值进行比较，经过外环PID控制算法输出的控制量与设定值相加转换成相应的控制电流量，经过D/A转换后输出4~20 mA的电流值调节比例压力阀阀芯的开度，从而调节压力容器的压力值，实现闭环控制^[4-5].

由比例压力阀原理知，比例压力阀具有内闭环控制，其控制的压力为阀出口处的压力.在实际的压力载荷加载试验中，比例压力阀到压力容器之间存在较长的气路 (约10 m)，不可避免地存在延迟和气体泄露，同时压力容器容积较大 (约40 L) 引起系统响应滞后，所以仅用比例压力阀的内闭环控制无法保证控制精度，也无法保证加速度载荷和压力载荷加载的同步性.通过外闭环的PID控制结合比例压力阀的内闭环控制能有效地解决上述问题.

另外，对于综合离心压力控制系统，由于比例压力阀具有内闭环控制，所以当外环的压力传感器出现故障时，只要压力设定值无误，可通过软件设置外PID闭环为开环，然后通过内闭环完成压力控制，能够保证试件的安全.由图 2可知，压力加载谱通过实时采集加速度值插值得到，一旦加速度传感器故障，则压力加载谱不能正常加载，给试验件安全带来威胁，从试验安全性角度考虑，本文设计了基于加速度传感器余度的管理策略.

2.2 加速度余度管理策略

余度管理策略可采用表决算法实现，其基本思想是：同时使用N个功能相同的部件，对它们的结果进行投票表决，以多取胜，达到屏蔽系统故障的目的.

常见的表决算法有多数一致法、复数法、加权平均法、中值法和基于历史信息法等.本文采用的表决算法是基于多数一致和加权平均的综合表决算法^[6-9].

中心加速度传感器负责采集试件几何中心、重心或敏感点的加速度，采用精度较高的三轴加速度传感器，该加速度值为同步压力载荷加载的加速度值，处于主加速度的位置.另外两只加速度传感器负责采集试件近端和远端的加速度值.加速度传感器余度算法如下:

1) 首先将离心机远端和近端转换成等价的中心过载，与直接采集的中心过载值进行比较，如果远端和近端转换值有一个与中心过载值在一定的误差范围内，则认为中心端无问题，利用中心端过载进行控制；否则，转2)；

2) 判断远、近端过载值转换成等价中心过载是否接近，如果在一定的误差范围内，则利用远端和近端转换成等价中心过载平均值用于控制；否则，转3).

3) 3个过载传感器中若有2个故障，采用最大过载值进行控制.

流程图如图 3所示.

2.3 外环PID实时控制算法实现

PID控制是一种最常用的控制方法，其特点是算法简单、鲁棒性好、可靠性高.它根据设定值SP与实际测量值PV之间的偏差e(t)，进行比例、积分、微分线性组合构成控制量，对被控对象进行控制^{[2, 10-12]}.其控制规律为

式中：K_p为比例系数；T_i为积分时间常数；T_d为微分时间常数.

本系统中，压力控制系统的数字PID实时控制算法在NI PXI 8108实时嵌入式控制器上实现，算法的数字化实现过程如下.

根据设定值和实际反馈值计算实时偏差e(k):

比例控制量u_p(k) 的实现如下：

积分控制量u_i(k) 的实现采用梯形积分法，能够有效避免设定值或者实时测量值突变导致的积分控制量的突变，有效改善积分控制量的作用，计算公式如下所示：

微分控制量u_d(k) 的实现采用不完全微分计算，因为设定值有可能突然改变，此时如果应用误差计算微分会带来跳变.实际采集反馈信号PV受物理系统的限制，其响应不会突变，因此采用PV进行微分控制量的计算，计算公式如下所示：

根据下式计算输出控制量u(k)，并根据相应的控制执行机构对输出控制量的范围进行限制，以免破坏设备:

其中，u_min和u_max为执行机构的最小值和最大值，本系统的比例压力阀的范围为4~20 mA.

3 试验结果

离心环境下外加协调加载试验中载荷通常要求逐级匀速缓慢加载，按表 1三角波信号对系统性能进行测试.

试验条件：高压气瓶压力13 MPa；外PID控制器的参数设置为K_p=2，T_i=10，T_d=0；气路长度大约为3 m.

1) 验证系统内闭环和加入外PID闭环控制效果.试验结果如图 4所示.

实测结果表明，加入外闭环PID控制构成双闭环控制后，系统的响应更快，同步性更好，在起始段和顶点左右，加入外PID闭环的系统误差比内闭环控制明显减小，系统的控制精度在控制的各个阶段都有明显的提高.

2) 加速度传感器故障试验.试验中，分别人为制造位于中心端以及远端或近端传感器的故障，分析加速度传感器余度控制算法的性能.试验结果如图 5所示.

实测结果表明，在中心端、远端和近端过载传感器有1个发生故障后，系统具备继续完成压力加载过程能力；在有2个传感器发生故障后，能够保证试验的安全性要求.因此，基于传感器余度的方法，有效保证了控制系统的安全性，进一步保证了试件的安全.

4 结语

本文从满足离心环境下外压协调加载控制系统的安全性和控制精度的角度出发，采用基于加速度传感器余度的双闭环控制算法，详细阐述了加速度余度控制算法和外闭环实时PID控制算法的原理和实现过程.试验结果表明，基于加速度传感器余度的策略有效保证了试验的安全性，双闭环控制策略有效提高了系统的静态和动态控制精度，完成了离心环境下外压加载试验.