智能溫控技術在航天器部件常壓高低溫試驗中的應用

左　洋，楊耀東，宋　杰，李秀杰，王　晶，趙楊楊

（1.北京衛星制造廠，北京　100190；2.北京衛星環境工程研究所，北京　100094；3.哈爾濱工業大學航天學院，哈爾濱　150001）

智能溫控技術在航天器部件常壓高低溫試驗中的應用

左洋1，楊耀東1，宋杰1，李秀杰1，王晶2，趙楊楊3

（1.北京衛星制造廠，北京100190；2.北京衛星環境工程研究所，北京100094；3.哈爾濱工業大學航天學院，哈爾濱150001）

在航天器部件常壓熱試驗中，當試驗間環境溫度變化時，就會引起部件關鍵部位不能正常運行。通過對轉移機構進行熱計算與控溫系統的熱設計，采用PID控制方式實現了在常壓高低溫試驗中對產品關鍵部位的智能熱控，滿足了產品控溫精度要求。最后介紹了智能熱控技術在常壓高低溫試驗工況中的應用，對后續型號實驗具有借鑒和指導意義。

智能；溫控；大氣壓下高低溫試驗；常壓高低溫；PID控制

0　引言

常壓高低溫試驗是為了驗證著陸探測器轉移釋放機構、展開式熱輻射器等關鍵產品在空間高低溫條件下展開性能，在地面進行常壓高、低溫模擬試驗，以評價其在一定的溫度條件下貯存和使用的適應性。為了模擬外空間環境，驗證轉移機構某產品組件承受在軌溫度條件的能力，確定其關鍵組件的常壓低溫展開和轉移試驗，確保其在軌的正常工作，轉移機構關鍵部位必須在地面進行常壓高低溫試驗。為了防止在常壓低溫展開試驗時，由于低溫結霜造成產品關鍵部組件產生卡死等失效現象，影響各部件的正常工作，需對各部組件實施有效熱控。結合常壓高低溫試驗裝置的特點和產品控溫目標，對航天器部組件進行理論熱分析，設計加熱片的熱參數，并選用適合的控溫材料實施熱控，采用PID熱控制方式進行溫控。PID控溫模塊通過對航天器部組件這個被控模型的辨識，根據輸入的溫差參數，提供出合適的電參數，在電測過程中與目標溫度相比較，進行參數自整定，以達到較高的控溫精度，實現在常壓高低溫試驗中對產品部分關鍵部位的智能性溫控［1-2］。

1　常壓高低溫試驗及熱控難點分析

1.1常壓高低溫試驗設備簡介

常壓高低溫試驗裝置是為了驗證著陸探測器轉移釋放機構、展開式熱輻射器等產品的高低溫展開性能試驗需求而設計的地面試驗裝置，也可用于航天器其它儀器儀表、電子設備、材料等進行高、低溫試驗，以評價其在一定的溫度條件下貯存和使用的適應性。

該試驗裝置為一個具有高低溫交變功能、能夠永久使用的大型常壓高低溫試驗設備。在設計過程中，依據相關的設計規范，考慮了產品安全、人身安全和防火措施等安全要求，從材料的選擇、支撐結構強度與連接方式、制冷系統、除濕干燥裝置、加熱裝置、自動控制設備、操作流程及過程監控與自動保護等環節進行詳細的分析與設計。圖1為常壓高低溫試驗裝置原理框圖。

圖1　常壓高低溫試驗裝置原理框圖

試驗開始時用干燥氮氣對試驗裝置內的空氣進行置換，當達到環境的露點時停止通干燥氮氣，開啟通向鋁排液氮的閥門，利用鋁排將試驗裝置中剩余的水蒸氣除掉，進一步保證試驗裝置除濕的可靠性。當露點達到預設值的時候，系統啟動降溫，開啟液氮噴頭，通過開啟不同的液氮閥門來控制液氮噴淋量以得到要求的試驗溫度，達到某種動態平衡并保持恒溫恒濕的試驗環境。為了達到較高的控溫穩定度，同時使用電加熱器進行精準控溫。在試驗溫度由低溫向高溫升溫過程中，采用電加熱的方式。但同時需要開啟氮氣注入，以保證裝置內維持一定程度的正壓。防止外部濕空氣倒灌。

1.2試驗要求

1.2.1懸梯低溫展開試驗控溫要求

在低溫展開試驗中，懸梯布置1個控溫回路，要求溫控點G工作時最低溫度為-40℃。可按控溫下限控制，且滿足工作溫度區間要求。控溫點G在產品中的位置如圖2所示。

圖2　懸梯溫度控制點位置示意圖

1.2.2低溫轉移試驗控溫要求

在低溫轉移試驗中，轉移機構共布置3個控溫回路，要求：

（1）溫控點1工作時最低溫度為-40℃；

（2）溫控點2工作時最低溫度為-40℃；

（3）溫控點3工作時最低溫度為-50℃。

以上溫度控制按下限控制，且滿足工作溫度區間要求。控溫點在產品中的位置如圖3所示。

圖3　轉移機構溫度控制點位置示意圖

1.3熱控難點分析

轉移機構低溫轉移和展開試驗在常壓高低溫試驗裝置內進行，試驗的主要目的是驗證部件初樣產品在低溫常壓環境下的工作能力，其熱控難點主要包括以下幾個方面：

（1）當采用液氮降溫，試驗間溫度逐漸下降并達到下限溫度（目標溫度）時，如何通過熱控措施保證產品關鍵部位的溫度，確保產品的正常工作。

（2）如何根據溫度采集結果與溫度設定值對比，控制程控電源輸出，如何減少操作者試驗過程中依據手動控溫的實際情況進行實時調整的控溫風險，實現操作者一次性輸入控溫參數，測控溫系統通過參數自整定，輸出合適的電壓和電流值，達到智能控溫需求。

（3）如何提高控溫精度，滿足產品的關鍵部位的控溫需求。

2　轉移機構低溫展開及轉移試驗控溫設計方案

試驗內部為氮氣環境，試驗過程中試驗間內降溫目標為零下70℃以下。根據熱控需求并結合常壓高低溫試驗裝置的特點，對航天器部件進行熱計算，設計加熱片的熱參數，并選用適合的控溫材料進行熱控實施，采用PID熱控制方式進行溫控。

2.1轉移機構低溫展開及轉移試驗熱計算

考慮試驗過程中試驗間內降溫目標和控溫誤差，計算取室內氮氣溫度為-80℃左右，取與控溫部件連接的結構溫度為-70℃左右。為了減小熱傳導，降低控溫回路功率，對所有需要控溫的部件采用多層隔熱材料進行包覆，隔熱材料的導熱系數為0.04 W/（m·K）。溫控點G工作溫度為-40～+40℃，按照下限溫度控制且滿足工作溫度區間的要求，設置控制溫度范圍為-35～-30℃。按照溫控點G維持-30℃計算需要的加熱功率。溫控點G與安裝面之間干接觸，取傳熱系數為200 W/（m2·K），先計算出接觸傳熱量；為了減小對流傳熱，對溫控點G包覆聚氨酯泡沫塑料。包覆厚度決定了包覆體與環境的對流換熱量，以包覆體對流傳熱Q2等于包覆層導熱量Qcond作為判據，通過迭代計算包覆后的傳熱量。溫控點G總傳熱量為對流傳熱量和接觸傳熱量之和，考慮25%的設計余量，可以計算出控溫功率為7.68 W，同時需要對溫控點G包覆1 cm厚的聚氨酯泡沫塑料［3-4］。

依據以上設計思路，我們可以計算出溫控點2的控溫功率為18.25 W，并需對其包覆3 cm厚的聚氨酯泡沫塑料；溫控點3的控溫功率為11.86 W，并需對其包覆1 cm厚的聚氨酯泡沫塑料。

2.2轉移機構低溫展開及轉移試驗熱控設計方案

2.2.1加熱片熱控設計

根據前面的計算，各部件的加熱片設計參數如表1所列，加熱片安裝位置和連線現場指定。控溫使用主份回路，備份回路在試驗中備份。試驗前加熱回路測試電流不能大于下表電流值的30%左右。

2.2.2隔熱材料

試驗件需要包覆隔熱材料的部件有：溫控點1（G）、溫控點2、溫控點3。隔熱材料的厚度至少為1 cm。為防止隔熱材料脫落粉塵污染試件，在隔熱材料兩面使用單面帶膠的鍍鋁聚酯膜粘貼。

2.3智能性PID控溫模塊的優化設計

采用智能PID控溫模塊進行控制，并根據工程經驗對控溫模塊進行優化設計，實現了控溫過程的自動化。

2.3.1PID控制技術原理

PID控制是根據系統的被調量實測值與設定值之間的偏差，利用偏差的比例、積分、微分三個環節的不同組合計算出對被控對象的控制量，通過航天器進行控制，圖4為PID控制系統的原理圖。

表1　各部件的加熱片設計

圖4　PID控制系統的原理圖

圖4中虛線框內的部分是PID控制器，其輸入為設定值r（t）與被調量實測值y（t）構成的控制偏差信號e（t）：

其輸出為該偏差信號的比例、積分、微分的線性組合，也即PID控制律。

式中：Kp為比例系數；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數。

PID控溫模塊主要采用增量型算法，其控制算法的流程圖如圖5。因為不需做累加，計算誤差后產生的計算精度問題，對控制量的計算影響較小；增量型算法得出的是控制增量，誤動作影響小，必要時通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會影響系統的工作；增量型算法易于實現手、自動的無擾動切換［5-6］。

圖5　增量式PID控制算法流程圖

常壓高低溫裝置PID控溫模塊通過對控溫回路這個被控模型的辨識，根據輸入的溫差參數，提供出合適的電壓、電流值，在電測過程中與目標溫度相比較，進行參數自整定，以達到較高的控溫精度，進而實現產品控溫部位的精確控溫。

2.3.2PID控溫模塊控制參數的優化設計

PID控溫模塊通過根據系統的被調量實測值與設定值之間的偏差，利用偏差的比例、積分、微分三個環節的不同組合對被控模型進行控制。

結合常壓高低溫裝置測控溫系統的特點，比例增益P表示在溫度設定值范圍內的比例動作，當溫度越高，功率越小；溫度越低，功率就越大，功率的設定值依據溫度偏差值和比例區間的大小。積分環節I也是一種比例，是溫度偏差值的累積值與設定的一個值之間的反比關系。微分時間D是溫度變化快慢跟功率的比值，當溫度上升的太快時，就可以降低功率，以阻止溫度上升過快。常壓高低溫裝置中智能性PID控溫模式中各參數確立的具體步驟如下［5-6］：

（1）確定比例系數Kp

系統采用純比例調節確定比例系數Kp。比例系數Kp由0開始逐漸增大，直至系統出現振蕩；再反過來逐漸減小比例系數Kp，直至系統振蕩消失。記錄此時的比例系數Kp，設定PID的比例系數Kp為當前值的60%左右。

（2）確定積分時間常數Ti

設定一個初始的積分時間常數Ti，然后逐漸減小Ti，直至系統出現振蕩，然后逐漸增大Ti，直至系統振蕩消失。記錄此時的Ti，設定PID的積分時間常數Ti為當前值的1.5倍左右。

（3）確定微分時間常數Td

微分時間常數Td與確定Kp的方法相同。

結合系統空載、帶載聯調的多次測試數據和經驗，定量地計算出常壓高低溫裝置這個被控模型的特性參數，可以預先設置并將控溫模塊的PID參數默認值設定為ΔKp、ΔKi和ΔKd。常壓高低溫裝置智能性PID控溫模塊能夠實現根據單個或者多個溫度采集計算結果與溫度設定值對比，控制單臺或者多臺程控電源輸出［7-8］。

3　轉移機構低溫展開及轉移試驗控溫試驗

本次部件低溫展開及轉移試驗測控溫中，試驗人員根據熱控技術文件制定各測溫控溫回路節點表，并負責測控溫過程中熱控實施，包括熱電偶和加熱片的粘貼、測控溫線路的搭接和電裝工作、產品控溫部位的包覆、產品測控溫過程的監測等方面。

3.1熱控系統節點表

本次試驗共分兩個工況，測溫回路各節點如表2所列。

表2　部件測溫回路節點表

3.2試驗結果

根據前面的熱計算和熱控實施通過主動和被動熱控達到精確控溫的目的。熱控系統軟件部分使用的是地面測控溫系統軟件，根據優化設計后的技術要求，軟件采用SQLite作為底層數據支持，并進行了相關修改和完善。新版軟件在開關控制的基礎上增加了增量式PID控制，比例、微分和積分的設置采用電測過程中辨識被控模型，通過科恩·庫恩方法進行參數自診定，從而提供出合適的PID控制參數。

控溫模塊電測過程中能夠識別出常溫條件下測點的連接是否正常，并提供出合適的PID控制參數。表3為測試試驗中當目標溫度為40℃的前提下，2 701數據卡采集到的三個測溫通道（101、102、103通道）某段控溫區間在一定時間間隔內的PID控溫結果，電測過程中PID自整定參數ΔKp為1，ΔKi為0.1，ΔKd為0.15。從表中可以明顯看出各通道的測溫數據穩定，101通道最大正偏差為0.3℃，最大負偏差為0.3℃；102通道最大正偏差為0.4℃，最大負偏差為0.3℃；103通道最大正偏差為0.5℃，最大負偏差為0.3℃。各個通道控溫精度均達到或優于±0.5℃。

圖6為常壓高低溫試驗工況中某一測溫周期內控溫點3的溫度控制曲線。從圖中可以明顯看到控溫點3在這一試驗周期內溫度數值均在-50℃以上，符合了設計要求，滿足根據單個或者多個溫度采集計算結果與溫度設定值對比，控制單臺或者多臺程控電源輸出的目的，區間內測控溫數據完整、準確，滿足了試驗要求。

表3　PID控溫模塊測溫通道的控溫數據表

圖6　溫控點3在工況中的溫度控制圖

4　結束語

智能熱控技術從技術上實現了降溫階段對產品關鍵部位的溫度控制，根據采集計算結果與溫度設定值對比，控制程控電源輸出，實現了從傳統開關式控溫到跟蹤式控溫方式的轉變，控溫參數輸入后，控溫系統通過參數自整定，輸出合適的電壓和電流值，不僅實現了控溫過程的自動化，而且大大提高了控溫精度；不僅滿足了關鍵型號控溫要求，而且為后續型號常壓高低溫試驗提供了技術上的保障，對后續型號實驗具有較強借鑒和指導意義。轉移機構試驗過程中試驗裝置內熱控系統運行正常，測溫點數據準確，控溫點溫度均滿足大綱要求。常壓高低溫裝置智能型PID控溫模塊的優化設計，滿足了轉移機構中關鍵部位的控溫精度各項要求，測溫和控溫數據完整、準確，為可靠性鑒定試驗提供了重要的技術參數。

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APPLICATION OF INTELLIGENT TEMPERATURE CONTROL TECHNOLOGY IN THE EXPERIMENT UNDER ATMOSPHERIC PRESSURE AND HIGH/LOW TEMPERATURE FOR COMPONENTS OF SPACECRAFT

ZUO Yang1，YANG Yao-dong1，SONG Jie1，LI Xiu-jie1，WANG Jing2，ZHAO Yang-yang3
（1.Beijing Spacecrafts，Beijing100190，China；2.Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing100094，China；3.Institute ofAstronautics，Harbin Institute of Technology，Harbin150001，China）

When the temperature in the laboratory changes，there is very real possibility that components of spacecraft can’t work well in the thermal experiment.Through the theoretical thermal calculation of key components of the product for the transfer product，and thermal design of the temperature control material and heating pieces were designed，then PID thermal control was achieved to meet the intelligent thermal control of key components of the products in the experiment under atmospheric pressure and high/low temperature.This Optimal design of intelligent temperature control module can meet the accuracy requirements of components of spacecraft.This article also introduces the successful applications of intelligent thermal control technology in the experiment under atmospheric pressure and high/low temperature for components of spacecraft，and has a strong reference and guidance for subsequent model experiments.

intelligent；temperature control；the experiment under atmospheric pressure and high/low temperature；atmospheric pressure at high and low temperature；PID control

V44

A

1006-7086（2015）02-0113-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.02.012

2015-01-20

左洋（1985—），男，碩士，工程師，從事航天產品的化學分析工作。E-mail：zuoyangsky@163.com。