小型熱真空試驗自動流程控制技術(shù)研究

劉高同，孫　宇

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京　100094）

小型熱真空試驗自動流程控制技術(shù)研究

劉高同，孫宇

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094）

由于當(dāng)前航天器部件級產(chǎn)品的空間環(huán)境試驗需求日趨增多，對試驗流程控制系統(tǒng)的自動化程度及其對不同試驗需求的適應(yīng)性要求更加嚴(yán)；為提高其自動化水平和靈活適應(yīng)性，以小型熱真空試驗系統(tǒng)為需求背景，對其試驗流程自動控制需求及適應(yīng)性條件進(jìn)行了分析，提出并設(shè)計了可適應(yīng)不同需求及條件下的自動控制方法；該方法易于實現(xiàn)，通過試驗系統(tǒng)內(nèi)各類傳感器參數(shù)作為基準(zhǔn)判據(jù)對系統(tǒng)的設(shè)備和儀器進(jìn)行流程控制和可靠性保護(hù)，采用相對智能的控制策略實現(xiàn)試驗系統(tǒng)對不同試驗需求的靈活適應(yīng)；經(jīng)過測試驗證，該控制方法適應(yīng)于小型熱真空試驗流程，具備較強(qiáng)的適應(yīng)性，自動化程度高，能夠大幅度提高小型熱真空試驗流程自動化水平，滿足密集型航天器部件級產(chǎn)品空間環(huán)境試驗需求。

熱真空；試驗流程；自動控制

0　引言

航天器熱真空環(huán)境試驗設(shè)備用于模擬空間真空、冷黑背景，及其空間溫度變化的環(huán)境條件，為航天器環(huán)境試驗提供地面條件，充分暴露航天器及分系統(tǒng)、單機(jī)等研制過程中的設(shè)計、生產(chǎn)和材料缺陷等各種問題，對保證航天器的產(chǎn)品質(zhì)量及其可靠性起到至關(guān)重要的作用［1］。

本文主要對小型熱真空環(huán)境模擬設(shè)備試驗需求和過程的自動控制要求進(jìn)行充分的分析，并提供自動控制技術(shù)方案，第一，對真空獲得機(jī)構(gòu)啟動的初始真空度條件進(jìn)行階梯分類，根據(jù)不同的初始條件可選擇性地控制設(shè)備啟動和停止，既能保證設(shè)備的良好狀態(tài)，又解決了真空獲得機(jī)構(gòu)只能在容器初始狀態(tài)為大氣條件下自動運(yùn)行的問題，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性；第二，針對小型真空熱環(huán)境模擬設(shè)備試件控溫自動化程度不高以及狹小空間內(nèi)溫度均勻性不高的問題，設(shè)計了針對兩路不同試件同時進(jìn)行試驗控溫循環(huán)的自動控制方案，提高了系統(tǒng)對兩路不同試件試驗需求下試件控溫的高效性和適應(yīng)性。

1　自動控制需求及方案

1.1控制需求分析

小型熱真空環(huán)境模擬設(shè)備試驗過程的自動控制主要有兩個部分，一是真空、冷黑環(huán)境建立過程，二是航天器部組件（以下簡稱“試件”）控溫循環(huán)過程。

真空、冷黑環(huán)境的建立依靠真空獲得機(jī)構(gòu)和低溫制冷及熱沉系統(tǒng)，如圖1所示為真空、冷黑背景建立所需的設(shè)備原理圖，真空系統(tǒng)控制對象為管路閥門、各級真空泵，反饋對象為真空規(guī)獲取的真空度數(shù)據(jù)，根據(jù)不同階段的真空度反饋值對相應(yīng)閥門和真空泵執(zhí)行控制，極限條件下可以達(dá)到10-5Pa數(shù)量級，實現(xiàn)試驗所需真空條件的建立；熱沉表面涂黑漆，為航天器部組件試驗提供冷黑背景，熱沉內(nèi)部通過載冷劑進(jìn)行熱交換帶走熱量達(dá)到制冷的目的，一般熱沉制冷分為液氮制冷和機(jī)械制冷兩種方式［2］，本文所敘述的熱沉制冷方式為混和工質(zhì)機(jī)械制冷，將低溫工質(zhì)通入熱沉，最低可達(dá)到-140℃，實現(xiàn)冷背景的建立。

試件控溫是航天器熱真空部組件試驗的重要環(huán)節(jié)，目前的控溫方式重要分為兩種［2］，一種是調(diào)溫型熱沉直接進(jìn)行輻射換熱的試件控溫，目前應(yīng)用也較為普遍；另一種是低溫冷背景下的紅外加熱控溫，執(zhí)行器一般為紅外加熱籠、紅外燈陣、薄膜加熱片等，本文所涉及的試件控溫為滿足兩路不同試件控溫，既要滿足大范圍的控溫區(qū)間，又要滿足溫度均勻性，同時兼顧不同試件同時試驗，但由于在小型真空熱環(huán)境模擬設(shè)備相對狹小的試驗空間內(nèi)，兩路控溫存在相互耦合的現(xiàn)象，因此，控制策略根據(jù)情況不同分別分析。

圖1　真空低溫設(shè)備原理圖

1.2方案設(shè)計

真空、冷黑背景建立過程的自動控制主要是針對真空過程，當(dāng)真空條件達(dá)到之后，再按順序啟動制冷機(jī)為熱沉制冷，即可實現(xiàn)真空、冷黑背景。目前真空熱環(huán)境模擬系統(tǒng)具備了相應(yīng)的自動控制過程，即真空流程啟動之后，真空獲得機(jī)構(gòu)的閥門、真空泵按照程序設(shè)定依據(jù)真空度的變化逐步完成啟、?？刂?，直到所需真空條件達(dá)到進(jìn)入維持狀態(tài)。但是，目前的真空獲得機(jī)構(gòu)自動控制都是在容器為大氣條件的前提下進(jìn)行的，限制條件過于苛刻，不夠靈活，真空容器密封保壓情況下不能執(zhí)行自動控制，鑒于此種情況，需要對真空過程重新分析。一般情況下，真空獲得機(jī)構(gòu)所能實現(xiàn)的真空度范圍為1×10-6Pa量級到1×105Pa，考慮到設(shè)備對容器與管道壓差的要求，根據(jù)不同初始條件，自動控制系統(tǒng)選擇性執(zhí)行相應(yīng)閥門和真空泵的啟動順序，完成對真空流程的自動控制操作。

小型真空熱環(huán)境模擬設(shè)備所采用的控溫模式，是在冷背景條件下對試件所在的局部空間進(jìn)行紅外加熱控溫，紅外加熱器采用了紅外燈陣與紅外加熱籠兩種可選擇更換的模式：紅外燈陣輻射比較集中，可用于高溫度區(qū)間的試驗工況，但是溫度均勻性差；紅外加熱籠輻射面積能夠覆蓋到除試件背風(fēng)面之外的所有角度，可適用于較低范圍溫度區(qū)間的試驗工況，且溫度均勻性比較高。采用兩者可選擇的模式，可以兼顧不同溫區(qū)試驗條件的控溫要求。

如圖2所示，紅外加熱裝置為兩路互相獨(dú)立的弧形排列紅外燈陣，其輻射區(qū)直接正對相應(yīng)的對象試驗件，兩路紅外燈陣之間存在輻射干擾。紅外燈陣熱流控制均采用PID算法［3］控制程控電源調(diào)節(jié)電流大小來進(jìn)行紅外加熱控溫，兩路控溫相對獨(dú)立，因此可分別編程實現(xiàn)。方式較為簡單，單路紅外燈陣采用自整定PID控制，另外一路當(dāng)做輻射擾動存在［4］，兩路控制策略一致，并互為干擾。原理圖如圖3所示。

圖2　紅外燈陣

圖3　單路紅外燈陣控溫原理

圖4　紅外加熱籠

如圖4所示，當(dāng)紅外加熱裝置為兩分區(qū)紅外加熱籠時，兩片分區(qū)的控制通過控制程控電源調(diào)節(jié)電流大小進(jìn)行紅外加熱控溫，仍以兩件試驗件為試驗對象，與上一個紅外燈陣方案的不同之處在于，兩個紅外籠加熱分區(qū)并不是直接正對單一試件，還會直接輻射到另外一個試件，這就導(dǎo)致兩者輻射交叉現(xiàn)象較為嚴(yán)重，因此不可能進(jìn)行兩路完全獨(dú)立的紅外加熱控溫。在此種紅外加熱模式下，選擇以其中一路為主控溫，另一路跟隨控溫，達(dá)到兩路同時兼顧滿足試驗指標(biāo)的目的。原理圖如圖5所示。

圖5　兩分區(qū)紅外加熱籠控溫原理

設(shè)計中采用這兩種模式可選擇，是為了滿足系統(tǒng)對熱真空試驗不同任務(wù)需求的最大化利用方案，程序?qū)崿F(xiàn)時可以通過選擇實現(xiàn)兩種不同模式。

圖6　設(shè)備自動控制流程圖

2　實現(xiàn)過程

2.1控制結(jié)構(gòu)

測控系統(tǒng)硬件是實現(xiàn)其自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)上為兩級分布式控制結(jié)構(gòu)［5］。底層硬件由PLC（Programmable Logic Controller）實現(xiàn)，控制系統(tǒng)其他外設(shè)主要包括溫度傳感器（控溫反饋及溫度監(jiān)測點測量）、壓力/流量傳感器、直流程控電源（包括紅外加熱裝置）、制冷機(jī)控制器、分子泵控制器、干泵變頻器及其他閥門、按鈕指示等設(shè)備。

溫度傳感器采用PT100鉑電阻，測量精度可達(dá)到0.1℃，由PLC的模擬量輸入模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，作為溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析以及試件控溫反饋的依據(jù)。直流程控電源的控制信號采用模擬信號控制，由PLC的模擬量輸出模塊輸出4～20 m A信號控制直流電源輸出功率大小，控制算法程序由PLC編程實現(xiàn)。紅外加熱裝置可根據(jù)需要選擇為紅外燈陣或者紅外加熱籠，直流程控電源容量能同時滿足兩種選擇需求。

2.2軟件實現(xiàn)

測控系統(tǒng)軟件分為兩部分實現(xiàn)，首先是由PLC控制器編程實現(xiàn)的真空及冷背景建立自動控制程序、試件控溫自動程序，其次是由遠(yuǎn)程測控計算機(jī)組態(tài)軟件平臺實現(xiàn)的上位監(jiān)控軟件，任務(wù)是進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)、溫控數(shù)據(jù)的實時顯示，以及數(shù)據(jù)存儲、趨勢曲線實時及歷史分析等。

2.2.1軟件策略

真空及冷背景建立過程的自動控制程序如圖6所示。

試件控溫自動控制流程如圖7、圖8所示為兩種加熱模式下控溫程序流程，紅外燈陣可由PLC單獨(dú)運(yùn)行兩段程序同時實現(xiàn)，紅外籠時則區(qū)分主、輔點控溫，由一個程序?qū)崿F(xiàn)，兩者區(qū)別在于溫度保持點控溫策略不同，流程圖如圖7所示。

2.2.2人機(jī)交互界面

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)監(jiān)視、文檔處理等需要人機(jī)交互接口，因此遠(yuǎn)程上位組態(tài)軟件設(shè)計的核心是與PLC的數(shù)據(jù)交互過程以及數(shù)據(jù)庫的存儲處理過程，上位組態(tài)軟件只作為人機(jī)交互接口，不直接控制現(xiàn)場設(shè)備，由PLC完全控制，提高了系統(tǒng)可靠性。真空、冷背景過程監(jiān)控界面和試件控溫過程界面中。溫度循環(huán)控制的參數(shù)設(shè)置包括循環(huán)次數(shù)、點目標(biāo)溫度、點保持時間等，自動控制運(yùn)行過程中，所有設(shè)定參數(shù)上載到PLC中。另外，試件控溫模式選擇也在軟件界面上進(jìn)行。

3　試驗結(jié)果及分析

測試過程中，試驗系統(tǒng)各設(shè)備可依據(jù)傳感器參數(shù)選擇執(zhí)行不同的子程序，完全實現(xiàn)試驗流程自動化，可做到一鍵式控制，另外，試驗系統(tǒng)可在任意情況下中斷、返回執(zhí)行，對溫度控制對象的選擇性也靈活多樣，提高了試驗系統(tǒng)的適應(yīng)性。

圖7　單路紅外燈陣自動控溫流程圖

圖8　兩分區(qū)紅外加熱籠自動控溫流程圖

在系統(tǒng)進(jìn)行有載調(diào)試中，真空度低溫時維持在10-4Pa至10-5Pa量級；由于容器中安裝兩個試件及數(shù)量較多的新電纜，放氣量較大，高溫70℃時真空度為10-3Pa量級，基本滿足試驗要求，數(shù)據(jù)如圖9所示。在調(diào)試中分別進(jìn)行了紅外燈陣及紅外加熱籠的試驗調(diào)試，圖10為兩分區(qū)紅外加熱籠時試件的溫度數(shù)據(jù)，穩(wěn)定度較好，溫度均勻度相對好；兩路獨(dú)立紅外燈陣控制時適應(yīng)性基本一致。

4　結(jié)論

本文主要進(jìn)行了小型熱真空試驗系統(tǒng)的試驗流程自動控制技術(shù)進(jìn)行研究，重新分析了完整的熱真空試驗系統(tǒng)自動控制需求，對其試驗流程控制方案進(jìn)行了設(shè)計，提出了基于傳感器參

圖9　真空度曲線

圖10　控溫測量曲線

數(shù)作為判據(jù)的，可適應(yīng)多種不同初始條件及不同試驗工況下的控制方法，設(shè)計控制系統(tǒng)并通過軟件實現(xiàn)此控制方法，進(jìn)行多次調(diào)試，試驗系統(tǒng)流程自動化程度提高，靈活適應(yīng)性顯著增強(qiáng)。

［1］黃本誠，馬有禮.航天空間環(huán)境試驗技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002.

［2］張磊，丁文靜，劉高同，等.熱真空試驗設(shè)備熱沉調(diào)溫系統(tǒng)的技術(shù)研究［J］.真空與低溫，2011-（S1）.

［3］顧苗，劉勁松.真空熱試驗中閉環(huán)溫度控制參數(shù)分析［J］.航天器環(huán)境工程，2010，27 （5）：611-615.

［4］何鴻輝，賀顯紅，等.一種調(diào)溫?zé)岢恋淖詣涌刂萍夹g(shù)［J］.航天器環(huán)境工程，2004，27 （2）：206-209.

［5］顧苗，劉勁松.小型熱真空試驗設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化集群測控技術(shù)［J］.航天器環(huán)境工程，2008，25 （4）：338-341.

Research on Small Thermal Vacuum Test Automatic Process Control Technology

Liu Gaotong，Sun Yu
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing100094，China）

Due to the current demand for space environment test of the spacecraft components products is increasing，the degree of automation of the test process control system requirements and its adaptability to different test requirements are more stringent.In order to improve its level of automation and flexible and adaptable，with small thermal vacuum test system demand background，the test process automation needs and suitability conditions were analyzed，an automatic control method can be adapted to different needs and conditions is proposed and designed.This method is easy to be implemented，process control and reliability protection for equipments and instruments of the system are through various sensor parameters of the test system as a reference criterion，and with a relatively intelligent control strategy to adapt to different experiment requirements of the test system flexibly.After testing to verify that the control method is suitable for small thermal vacuum testing procedures，with strong adaptability，high degree of automation，can significantly improve the small thermal vacuum test process automation level to meet demands of space environment tests for the intensive spacecraft components products.

Thermal vacuum；Testing procedures；Automatic control

1671-4598（2016）05-0113-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.033

TP3

A

2016-03-04；

2016-03-14。

劉高同（1986-），男，北京人，碩士研究生，主要從事航天器空間環(huán)境模擬控制技術(shù)方向的研究。