組件熱真空試驗設(shè)備控制系統(tǒng)研究

楊曉東

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原030024)

組件熱真空環(huán)境模擬試驗設(shè)備主要用于對航天器組件在空間真空和熱環(huán)境下進(jìn)行性能試驗和可靠性試驗。

本文所涉及到的設(shè)備主要是針對航天電子接插件、繼電器的試驗而設(shè)計。設(shè)備尺寸準(zhǔn)500 mm×600 mm，真空度為1×10-4Pa，設(shè)備空間環(huán)境溫度要求在-70 ℃～＋120 ℃間連續(xù)可調(diào)。

真空環(huán)境的建立依靠“旋片泵+ 分子泵”系統(tǒng)，本文不作介紹，主要對真空環(huán)境下的溫度控制進(jìn)行重點討論。

1 技術(shù)難點

高真空環(huán)境下，空間環(huán)境溫度要達(dá)到目標(biāo)值，主要依靠熱輻射的方式，這種方式在高溫段（200℃以上）控溫時容易實現(xiàn)，而低溫段的控溫實現(xiàn)起來相對較難，這是因為物體的輻射能力隨溫度的降低而下降，加熱或制冷源的溫度很難輻射到空間目標(biāo)。為增大輻射能力，熱真空設(shè)備一般采用表面涂黑的熱沉為輻射源，利用黑體輻射的原理來解決低溫輻射的問題。所謂熱沉，在航天工程上指壁板內(nèi)表面涂黑漆來模擬宇宙冷黑環(huán)境的裝置。在本文所參考的設(shè)備中，冷媒盤管以螺旋形式繞在熱沉的筒體內(nèi)壁上，在螺旋管中間纏繞電加熱絲供升溫時使用。

熱沉的使用解決了熱源溫度不能充分輻射至空間的問題。但是，空間環(huán)境溫度要達(dá)到熱沉溫度有一個延時過程，而這個延遲在制冷時尤為突出，處理不當(dāng)會影響工藝對升溫和降溫的速率要求。

如何讓空間溫度迅速達(dá)到熱沉溫度，且不引起溫度超調(diào)，是本文要解決的控制問題。

2 解決方法分析

在控制系統(tǒng)上解決快速升降溫且不引起溫度超調(diào)，主要從兩個方向入手，一是提高溫度傳感器的感溫靈敏度，二是提高控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度。

2.1 溫度傳感器設(shè)計及布置

為提高溫度傳感器靈敏度，利用薄銅片封裝傳感器探頭，銅片做表面發(fā)黑、粗化處理，既增加其熱吸收能力，又可迅速傳熱至傳感器探頭。

熱沉溫度是加熱制冷需要直接控制的溫度，傳感器在內(nèi)壁布置；空間溫度是試驗需要的溫度，傳感器懸掛在空間。為保證空間環(huán)境溫度均勻性達(dá)到±5 ℃，熱沉傳感器和空間傳感器均為前、中、后三區(qū)配置。

2.2 評估實驗

實驗?zāi)康模貉芯繜岢翜囟扰c空間溫度的關(guān)系。

實驗方法：改變控溫點的位置，觀察熱沉溫度與空間溫度的變化情況。

實驗過程：

（1）實驗1：利用空間點作為控溫點，進(jìn)行升降溫測試。

現(xiàn)象：空間溫度超調(diào)，制冷尤為嚴(yán)重。

（2）實驗2：利用熱沉內(nèi)壁的傳感器作為控溫點，進(jìn)行升降溫測試。

現(xiàn)象：熱沉溫度迅速達(dá)到設(shè)定值，而空間溫度需要長時間的平衡才能達(dá)到，不能完全發(fā)揮加熱和制冷設(shè)備能力，導(dǎo)致到達(dá)目標(biāo)溫度速率太慢。實驗結(jié)論：

（1）經(jīng)過充分的熱平衡過程，熱沉溫度與空間溫度基本一致，說明利用調(diào)節(jié)熱沉溫度間接達(dá)到調(diào)節(jié)空間溫度的控制方法是可行的；

（2）溫度傳感器位于熱沉?xí)r，空間溫度達(dá)到設(shè)定溫度的過程非常緩慢，制冷時更為嚴(yán)重。

（3）傳感器位于空間時，空間溫度可快速達(dá)到設(shè)定值，但溫度過沖現(xiàn)象嚴(yán)重。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)實驗結(jié)論，可以判定該系統(tǒng)屬于大滯后系統(tǒng)，依據(jù)控制理論，應(yīng)采用串級PID 控制方法解決。

串級PID 控制是一種先進(jìn)的控制技術(shù)，適用于大滯后系統(tǒng)，采用改變控制設(shè)定值的方法，能夠盡快的響應(yīng)過程中的干擾，得到最小的系統(tǒng)過沖。串級PID 控制由主、從兩個控制回路構(gòu)成，主回路的控制輸出作為從回路的設(shè)定值。

鑒于加熱與制冷性能的差異，以下分開討論。

3.1 加熱控制

加熱控制通過調(diào)節(jié)功率控制器的輸出電壓來調(diào)節(jié)溫度?？刂圃砣鐖D1所示，加熱主回路T反饋信號為“空間溫度”，是空間3 點溫度信號數(shù)據(jù)處理后的溫度值；“設(shè)定溫度”根據(jù)工藝要求設(shè)定；輸出控制為“設(shè)定溫度SV2”，用作從回路G1的給定值。

從回路采用3 區(qū)加熱、3 點控溫的方式，G1反饋信號為“熱沉溫度”，是3 區(qū)溫度采集處的實際溫度信號；“設(shè)定溫度SV2”來自主回路輸出給定；控制輸出連接至功率控制器控制端，確保合適的功率輸出。

其控制過程為：當(dāng)設(shè)備“空間溫度PV1”低于“設(shè)定溫度SV1”時，主回路輸出的“設(shè)定溫度SV2”將改變，導(dǎo)致SV2與PV2偏差變大，經(jīng)PID 調(diào)節(jié)，將加大加熱功率的輸出，使PV2升高，間接導(dǎo)致PV1的升高。

圖1 加熱串級PID 控制原理圖

值得說明的是，主回路的反饋信號（空間溫度PV1）是經(jīng)過最大化處理后得到的統(tǒng)計結(jié)果，由于熱沉表面溫度因位置不同而存在偏差，所以傳感器信號布置在熱沉的三個位置點上（前、中、后），PV2可以是3 點溫度的平均值、最大值、最小值。使用最大值有利于抑制超調(diào)，使用最小值有利于提高升降溫速率，平均值是兩種能力的綜合，根據(jù)工藝情況選擇。

3.2 制冷控制

制冷是通過控制復(fù)疊式制冷機的開關(guān)實現(xiàn)的，相對于加熱控制來講，存在特性上的差異，總結(jié)如下：

（1）加熱控制為無級調(diào)節(jié)，而制冷機為通斷控制，制冷時只有2 種狀態(tài)，一為全速制冷狀態(tài)，二為停止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)輸出溫度（熱沉溫度）達(dá)到設(shè)定值時，停止制冷；當(dāng)溫度高于設(shè)定值時，重新開啟制冷。因此在開關(guān)控制時必須設(shè)置閾值，否則會造成冷機頻繁啟停，影響使用壽命。

（2）低溫狀態(tài)下熱輻射能力下降，熱沉溫度與空間溫度平衡需要的時間要長于加熱時，導(dǎo)致系統(tǒng)滯后性更嚴(yán)重；

（3）工藝對制冷速度有要求，制冷速度不能太慢，制約熱沉溫度的控制。舉例說明：若要從常溫降溫至-20 ℃，如對冷速沒有要求，可以讓熱沉溫度保持在-20 ℃或略低于-20 ℃，經(jīng)過長時間的熱平衡，熱沉所包圍的空間溫度也會達(dá)到-20 ℃?？墒牵绻铀倮鋮s，那么熱沉的溫度必須低于-20 ℃，若以冷機的最低制冷能力，可達(dá)到-90 ℃，這樣由于空間與熱沉的溫差較大，可以使空間溫度迅速下降至-20 ℃。問題是，這樣會導(dǎo)致非常大的系統(tǒng)慣性，空間溫度會降到設(shè)定值超調(diào)允許范圍。

通過以上的差異分析可知，制冷的系統(tǒng)慣性要大于加熱，更容易引起超調(diào)現(xiàn)象，為解決這個問題，對串級控制進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，引入帶前饋的串級控制。前饋串級控制系統(tǒng)允許使用主PV或主SV或其他用戶定義的變量反饋回來，去直接影響從回路的控制設(shè)定值?？刂圃砣鐖D2所示。

圖2 帶SV 前饋串級PID 控制的制冷原理框圖

其控制過程為：制冷主回路T 反饋信號為“空間溫度”，是空間3 區(qū)溫度信號數(shù)據(jù)處理后的溫度值；“設(shè)定溫度”根據(jù)工藝要求設(shè)定；輸出控制為“設(shè)定溫度SV2”，用作從回路G2的給定值。

從回路采用1 區(qū)制冷、1 點控溫的方式，G2反饋信號為“熱沉溫度”，是熱沉3 區(qū)溫度信號數(shù)據(jù)處理后的溫度值；“設(shè)定溫度SV2”是來自于主回路輸出與“經(jīng)驗集合”的疊加；控制輸出加載到冷機控制端，控制冷機的啟停。

在前饋引入的過程中，有一個關(guān)鍵的運算步驟，稱之為“經(jīng)驗集合”，經(jīng)驗集合通過對系統(tǒng)的能力測試和實驗驗證得來，如表1。表中所設(shè)限值為允許超調(diào)3 ℃情況下獲得，如果允許超調(diào)值變化，可通過上位計算機修正。

表1 制冷系統(tǒng)經(jīng)驗集合表

實驗證明，引入前饋后，通過對熱沉最低制冷溫度SV2的限制，避免了系統(tǒng)的超調(diào)，最大程度的發(fā)揮制冷能力，達(dá)到快速降溫且超調(diào)范圍可控的目的。

3 結(jié)束語

串級控制在解決大滯后系統(tǒng)的溫度控制上，效果明顯，而前饋的引入進(jìn)一步優(yōu)化了串接控制方法，增加了控制的靈活性。

上述控制方法實際應(yīng)用于貴州某廠熱真空環(huán)境模擬試驗設(shè)備的控制，通過4年多運行證明，控制效果良好?？梢?，所述方法具有推廣價值。

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