CN104298230A - 一种多智能体分布式冗余协调运载火箭动力测控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多智能体分布式冗余协调运载火箭动力测控系统，包含后端主智能体、后端从智能体、前端主智能体以及前端从智能体；后端主智能体、后端从智能体分别与后端指控工作站相连，后端主智能体通过网络交换机分别与前端主智能体以及前端从智能体相连，后端从智能体通过网络交换机分别与前端主智能体以及前端从智能体相连；前端主智能体、前端从智能体通过冗余输出机构输出驱动指令至前端执行机构；两个后端智能体采用主从同步切换机制，可以确保指令源的唯一性，两个前端智能体同时工作、同时输出控制指令；本发明在确保系统稳定性、可靠性的同时，提升了系统的实时性和响应快速性，以更好的适应未来大型低温火箭动力系统的测控要求。

Description

一种多智能体分布式冗余协调运载火箭动力测控系统
技术领域
本发明属于运载火箭动力测控技术领域，特别针对大型低温动力运载火箭而设计。
背景技术
动力测控系统是运载火箭射前测发控阶段的重要地面电气设备，主要用于完成对火箭动力系统射前的全部测试和增压控制任务，是火箭成功发射的重要保障。现有的动力测控系统常采用单智能体进行控制。大型低温火箭动力系统对现有的动力测控方法提出了挑战——规模更大且要兼顾实时性和安全性的要求：一方面，大型低温火箭动力系统繁多的控制通路和复杂的控制逻辑要求智能体具备更丰富的内存、处理资源。另一方面，低温动力系统对点火、增压等关键时序响应实时性的要求，又希望智能体具备较强的响应速度，并能够规避网络传输延迟和不确定性所带来的安全风险。此外，基于安全性考虑，动力测控系统又提出了兼顾接通可靠性和断开可靠性的要求；这些都是现有动力测控方法所无法满足的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种多智能体分布式冗余协调运载火箭测控系统，在确保系统稳定性、可靠性的同时，提升了系统的实时性和响应快速性，以更好的适应未来大型低温火箭动力系统的测控要求。
本发明的技术方案是：
一种多智能体分布式冗余协调运载火箭动力测控系统，包含后端主智能体、后端从智能体、前端主智能体以及前端从智能体；后端主智能体、后端从智能体分别与后端指控工作站相连，后端主智能体通过网络交换机分别与前端主智能体以及前端从智能体相连，后端从智能体通过网络交换机分别与前端主智能体以及前端从智能体相连；前端主智能体、前端从智能体通过冗余输出机构输出驱动指令至前端执行机构；
后端主智能体和后端从智能体同时接收后端指控工作站的控制指令，并生成驱动命令；在后端主智能体工作正常时，由后端主智能体通过网络交换机分别向前端主智能体和前端从智能体输出驱动命令；当且仅当后端主智能体出现故障时，由后端从智能体通过网络交换机分别向前端主智能体和前端从智能体输出驱动命令；后端主智能体定期向后端从智能体同步关键变量；后端主智能体和后端从智能体将来自于前端智能体的反馈状态上传至后端指控工作站；
前端主智能体和前端从智能体同时工作、同时输出控制指令；每个前端智能体能够接收后端智能体的驱动命令，并将其转换为中间变量，根据中间变量输出后端智能体对前端执行机构的驱动指令至冗余输出机构，从而实现后端智能体对前端执行机构的后端控制；每个前端智能体能够对前端执行机构反馈状态和参数信号进行采集，并将反馈状态通过网络交换机回传至后端主智能体和后端从智能体；每个前端智能体能够依据前端执行机构的反馈状态和/或参数信号，生成自闭环驱动指令，并将自闭环驱动指令通过冗余输出机构输出至前端执行机构，从而实现前端智能体对前端执行机构的前端自闭环控制。
冗余输出机构包括串/并联相结合的输出机构和并联输出机构；前端执行机构包括兼顾接通和断开可靠性的第一种执行机构以及接通可靠性较高的第二种执行机构；
串/并联相结合的输出机构包括四个继电器K1-1，K1-2，K2-1，K2-2，继电器K1-1，K1-2的线包并联后由前端主智能体控制，继电器K2-1，K2-2的线包并联后由前端从智能体控制；第一种执行机构的电磁阀AK1线包一端与驱动电源相连，另一端分别与继电器K1-1，继电器K2-1的触点开关的一端相连；继电器K1-1的触点开关的另一端与继电器K1-2的触点开关的一端相连，继电器K2-1的触点开关的另一端与继电器K2-2的触点开关的一端相连；继电器K1-2，继电器K2-2的触点开关的另一端相连后与驱动电源地相连；
并联输出机构包括继电器K1’和K2’，继电器K1’的线包由前端主智能体控制，继电器K2’的线包由前端从智能体控制，第二执行机构的电磁阀AK2线包的一端与驱动电源相连，另一端分别与继电器K1’、K2’的触点开关的一端相连，继电器K1’、K2’的触点开关的另一端相连后接驱动电源地。
当后端智能体需要进行前端自闭环控制所涉及通路的后端控制时，发送驱动命令至前端智能体，前端智能体将接收到的驱动命令转换为中间变量，然后判断前端智能体是否正在执行前端自闭环控制，如果正在执行前端自闭环控制，则不输出中间变量，继续执行自闭环控制，然后重新判断前端智能体是否在执行前端自闭环控制；如果停止执行前端自闭环控制，则根据中间变量输出后端智能体对前端执行机构的驱动指令至冗余输出机构，从而实现后端智能体对前端执行机构的后端控制。
通过后端智能体控制前端自闭环控制的执行与停止。
根据前端执行机构输出的反馈状态控制前端自闭环控制的执行与停止。
后端智能体部署于热、力学环境条件优良的后端指挥大厅，其上实现了动力测控系统逻辑较复杂、对稳定性和环境要求较高的功能模块；前端智能体部署于力学环境条件相对恶劣的前置设备间，其上实现了逻辑简单和对实时性要求较高的功能模块。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明的动力测控系统包括包含后端主智能体、后端从智能体、前端主智能体以及前端从智能体；两个后端智能体采用主从同步切换机制，可以确保指令源的唯一性，两个前端智能体同时工作、同时输出控制指令；前端智能体响应速度较高，后端智能体安装、部署对稳定性和环境要求较高的功能部件，在确保系统稳定性、可靠性的同时，提升了系统的实时性和响应快速性，可以更好的适应未来大型低温火箭动力系统的测控要求。
(2)两个前端智能体采用主从串并联相结合的输出方式，兼顾了系统的接通可靠性和断开可靠性，特别是调和了一度故障下接通可靠性与断开可靠性的矛盾。
(3)通过引入中间转换环节，实现了“先关后控”的前后端多智能体协调控制策略，规避了当前后端多智能体控制同一对象时所引发的控制干涉问题，提升了系统的安全性。
附图说明
图1多智能体分布式冗余协调运载火箭动力测控系统示意图；
图2串/并联相结合的输出机构与并联输出机构示意图；
图3前/后端多智能体协调控制策略流程示意图。
具体实施方式
下面就结合附图对本发明做进一步介绍。
如图1所示，在充分考虑可靠性和冗余设计的前提下，本发明的多智能体分布式冗余协调运载火箭动力测控系统，包含后端主智能体、后端从智能体、前端主智能体以及前端从智能体；后端主智能体、后端从智能体分别与后端指控工作站相连，后端主智能体通过网络交换机分别与前端主智能体以及前端从智能体相连，后端从智能体通过网络交换机分别与前端主智能体以及前端从智能体相连；前端主智能体、前端从智能体通过冗余输出机构输出控制指令至前端执行机构；
后端主智能体和后端从智能体同时接收后端指控工作站的控制指令，进行处理后生成驱动命令；在后端主智能体工作正常时，由后端主智能体分别向前端主智能体和前端从智能体输出驱动命令；当且仅当后端主智能体出现故障时，由后端从智能体分别向前端主智能体和前端从智能体输出驱动命令；后端主智能体定期向后端从智能体同步关键变量；关键变量例如是后端主智能体生成的驱动命令、后端主智能体中各计时器的状态、后端主智能体系统参数等；从而实现后端主、从智能体之间的无缝切换，确保系统安全。
每个后端智能体将前端智能体回采的反馈状态上传至后端指控工作站，实现对指令执行情况的在线监测。
前端主智能体和前端从智能体同时工作、同时输出控制指令；每个前端智能体能够接收后端智能体的驱动命令，并将其转换为中间变量，根据中间变量输出后端智能体对前端执行机构的驱动指令至冗余输出机构，从而实现对前端执行机构的后端控制，能够确保控制的稳定性和可靠性；每个前端智能体能够对前端执行机构反馈状态和参数信号进行采集，并将反馈状态通过网络交换机回传至后端主智能体和后端从智能体；每个前端智能体能够依据前端执行机构的反馈状态和/或参数信号，生成自闭环驱动指令，并将自闭环驱动指令通过冗余输出机构输出至前端执行机构，从而实现对前端执行机构的自闭环控制，能够达到系统对关键时序的强实时性要求。
前端智能体和后端智能体的资源可以一样，也可以后端智能体比前端智能体资源丰富。后端智能体部署于热、力学环境条件优良的后端指挥大厅，其上实现了动力测控系统逻辑较复杂、对稳定性和环境要求较高的功能模块；前端智能体部署于力学环境条件相对恶劣的前置设备间，其上实现了逻辑简单和对实时性要求较高的功能模块。
冗余输出机构包括串/并联相结合的输出机构和并联输出机构；对需要特别规避断不开故障的关键时序所涉及的通路采用串/并联相结合输出模式，其它通路保持并联输出模式。前端执行机构包括兼顾接通和断开可靠性的第一种执行机构以及接通可靠性较高的第二种执行机构；串/并联相结合的输出机构包括四个继电器K1-1，K1-2，K2-1，K2-2，继电器K1-1，K1-2的线包并联后由前端主智能体控制，继电器K2-1，K2-2的线包并联后由前端从智能体控制；第一种执行机构的电磁阀AK1线包一端与驱动电源(例如可以是+28V)相连，另一端分别与继电器K1-1，继电器K2-1的触点开关的一端相连；继电器K1-1的触点开关的另一端与继电器K1-2的触点开关的一端相连，继电器K2-1的触点开关的另一端与继电器K2-2的触点开关的一端相连；继电器K1-2，继电器K2-2的触点开关的另一端相连后与驱动电源地相连。并联输出机构包括继电器K1’和K2’，继电器K1’的线包由前端主智能体控制，继电器K2’的线包由前端从智能体控制，第二种执行机构的电磁阀AK2线包的一端与驱动电源相连，另一端分别与继电器K1’、K2’的触点开关的一端相连，继电器K1’、K2’的触点开关的另一端相连后接驱动电源地。
由图2可知，并联输出机构能够确保在一度故障下，不因单个开关(K1’或K2’)的闭合不上而影响通道的接通可靠性，例如：对地面设备的加电控制以确保其接通为第一要务，因此可采用并联输出的方式；而对于点火、增压等关键时序中所涉及的控制通路，采用串/并联相结合的输出模式可以确保在一度故障下，不因单个开关(K1-1或K1-2或K2-1或K2-2)的粘连而影响通道的断开可靠性，并且，仅当K1-1和K1-2(或K2-1和K2-2)同时出现粘连问题时，才会导致通道断不开的问题，提升了通路抵御二度故障的能力。
前端智能体和后端智能体之间往往存在复用控制的通路现象，如图3所示，当后端智能体需要进行前端自闭环控制所涉及通路的后端控制时，发送驱动指令至前端智能体，前端智能体将接收到的驱动指令转换为中间变量，然后判断前端智能体是否在执行自闭环控制，如果在执行自闭环控制，则不输出中间变量，继续执行自闭环控制，然后重新返回判断前端智能体是否在执行自闭环控制的步骤；如果停止执行自闭环控制，则输出中间变量至冗余输出机构，实现前端执行机构的后端控制输出。通过后端智能体可以控制前端自闭环控制的执行与停止，例如增压控制；通过前端执行机构输出的反馈状态也可以控制前端自闭环控制的执行与停止，例如对点火时序的响应。
本具体实施方式由前端智能体判断自闭环控制是否在执行可以直接反映前端智能体中程序的运行状态，并且规避由前端主、从智能体反馈状态差异所引发的误判问题，提升系统的可靠性。
本具体实施方式面向未来新一代大型低温动力运载火箭，创新提出了依据实时性要求不同的前/后端多智能体分布式控制策略。该策略不仅兼顾了大规模逻辑控制与点火断气等关键时序实时响应的要求(经测试，点火断气的动作响应精度小于20ms)，同时规避了网络传输延迟和不确定性对前端时序的影响(经测试，前/后端网络断开情况下，前端依然能够可靠运行)。另外，经过对多智能体冗余控制策略的改进，在兼顾动力测控系统大部分通路接通高可靠性的同时，提高了对点火断气等关键时序所涉及通路的断开可靠性(经分析，串/并联输出模式彻底杜绝了一度故障下，因单个开关粘连所导致通路断不开的问题，并且将二度故障下，因两个开关粘连所导致通路断不开的可能性由原来的100％降至33.3％)。
实施例
后端智能体可以采用PLC、FPGA或DSP，后端智能体资源丰富(处理器速度不小于600MHz，用户可编程逻辑块不少于512个，每个可编程逻辑块的最大可用空间不小于128KB，用户数据闪存空间不小于64MB)，部署于热、力学环境条件优良的后端指挥大厅，其上实现了动力测控系统大部分测控功能模块。
前端智能体可以采用PLC或FPGA，资源相对紧张(用户可编程逻辑空间不超过20KB，用户数据闪存空间不超过10MB)，并且部署于力学环境条件相对恶劣的前置设备间，其上实现了逻辑简单的驱动/采集模块和实时性要求比较高的点火和增压控制功能模块。
对于低温火箭动力测控系统，其对于点火时的断气功能实时性要求很高，需要动力测控系统在收到外系统的点火信号时，以最短的时间断开某些供气线路，因此，该部分功能就安装、部署于前端智能体中实现，实现当收到前端执行机构反馈状态，即执行相应动作；而诸如地面设备加/断电等实效性要求不高、但规模庞大的功能，被安装、部署于后端智能体。
以点火断气和增压控制为例，对于低温火箭动力测控系统，鉴于其快速响应的要求，安装部署于前端智能体。
对于点火响应自闭环控制而言，其控制对象(配气台上的电磁阀)在未收到点火信号之前同样要求可以被后端智能体控制，由此就有可能在前端智能体执行点火响应自闭环控制时，受到后端智能体的影响(例如：误动作、在网络映射机理下的电磁阀闪通闪断等)，因此需要为点火响应自闭环控制所涉及的通路均分配一个中间变量，用于存储后端智能体发送的驱动命令，使得当且仅当未收到反馈状态(即：点火信号)时，后端智能体也可控制输出。
对于增压自闭环控制而言，其需要后端智能体发送的程序开/关控制指令以及前端执行机构回传的参数信号(例如：贮箱压力参数)，当前端智能体收到后端智能体发送的“增压自闭环控制开”指令后，前端智能体开始执行增压自闭环控制，其控制内容包括：对参数信号的清洗、滤波等处理、以及依据处理后数据的控制决策判断等。增压自闭环控制的对象依然为前端执行机构中的电磁阀，当前端回采参数信号无误且自身逻辑运算正确时，位于前端智能体的增压自闭环控制所涉及的通路由增压自闭环控制；当参数信号或逻辑运算出现异常时，可通过后端智能体发送“增压自闭环控制关”指令，中止前端智能体上运行的增压自闭环控制程序，并由后端智能体，通过中间变量控制增压自闭环控制所涉及的通路。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种多智能体分布式冗余协调运载火箭动力测控系统，其特征在于：包含后端主智能体、后端从智能体、前端主智能体以及前端从智能体；后端主智能体、后端从智能体分别与后端指控工作站相连，后端主智能体通过网络交换机分别与前端主智能体以及前端从智能体相连，后端从智能体通过网络交换机分别与前端主智能体以及前端从智能体相连；前端主智能体、前端从智能体通过冗余输出机构输出驱动指令至前端执行机构；
后端主智能体和后端从智能体同时接收后端指控工作站的控制指令，并生成驱动命令；在后端主智能体工作正常时，由后端主智能体通过网络交换机分别向前端主智能体和前端从智能体输出驱动命令；当且仅当后端主智能体出现故障时，由后端从智能体通过网络交换机分别向前端主智能体和前端从智能体输出驱动命令；后端主智能体定期向后端从智能体同步关键变量；后端主智能体和后端从智能体将来自于前端智能体的反馈状态上传至后端指控工作站；
前端主智能体和前端从智能体同时工作、同时输出控制指令；每个前端智能体能够接收后端智能体的驱动命令，并将其转换为中间变量，根据中间变量输出后端智能体对前端执行机构的驱动指令至冗余输出机构，从而实现后端智能体对前端执行机构的后端控制；每个前端智能体能够对前端执行机构反馈状态和参数信号进行采集，并将反馈状态通过网络交换机回传至后端主智能体和后端从智能体；每个前端智能体能够依据前端执行机构的反馈状态和/或参数信号，生成自闭环驱动指令，并将自闭环驱动指令通过冗余输出机构输出至前端执行机构，从而实现前端智能体对前端执行机构的前端自闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种多智能体分布式冗余协调运载火箭动力测控系统，其特征在于：冗余输出机构包括串/并联相结合的输出机构和并联输出机构；前端执行机构包括兼顾接通和断开可靠性的第一种执行机构以及接通可靠性较高的第二种执行机构；
串/并联相结合的输出机构包括四个继电器K1-1，K1-2，K2-1，K2-2，继电器K1-1，K1-2的线包并联后由前端主智能体控制，继电器K2-1，K2-2的线包并联后由前端从智能体控制；第一种执行机构的电磁阀AK1线包一端与驱动电源相连，另一端分别与继电器K1-1，继电器K2-1的触点开关的一端相连；继电器K1-1的触点开关的另一端与继电器K1-2的触点开关的一端相连，继电器K2-1的触点开关的另一端与继电器K2-2的触点开关的一端相连；继电器K1-2，继电器K2-2的触点开关的另一端相连后与驱动电源地相连；
并联输出机构包括继电器K1’和K2’，继电器K1’的线包由前端主智能体控制，继电器K2’的线包由前端从智能体控制，第二执行机构的电磁阀AK2线包的一端与驱动电源相连，另一端分别与继电器K1’、K2’的触点开关的一端相连，继电器K1’、K2’的触点开关的另一端相连后接驱动电源地。
3.根据权利要求1所述的一种多智能体分布式冗余协调运载火箭动力测控系统，其特征在于：当后端智能体需要进行前端自闭环控制所涉及通路的后端控制时，发送驱动命令至前端智能体，前端智能体将接收到的驱动命令转换为中间变量，然后判断前端智能体是否正在执行前端自闭环控制，如果正在执行前端自闭环控制，则不输出中间变量，继续执行自闭环控制，然后重新判断前端智能体是否在执行前端自闭环控制；如果停止执行前端自闭环控制，则根据中间变量输出后端智能体对前端执行机构的驱动指令至冗余输出机构，从而实现后端智能体对前端执行机构的后端控制。
4.根据权利要求3所述的一种多智能体分布式冗余协调运载火箭动力测控系统，其特征在于：通过后端智能体控制前端自闭环控制的执行与停止。
5.根据权利要求3所述的一种多智能体分布式冗余协调运载火箭动力测控系统，其特征在于：根据前端执行机构输出的反馈状态控制前端自闭环控制的执行与停止。
6.根据权利要求1所述的一种多智能体分布式冗余协调运载火箭动力测控系统，其特征在于：后端智能体部署于热、力学环境条件优良的后端指挥大厅，其上实现了动力测控系统逻辑较复杂、对稳定性和环境要求较高的功能模块；前端智能体部署于力学环境条件相对恶劣的前置设备间，其上实现了逻辑简单和对实时性要求较高的功能模块。
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