基于增量式PID算法和逆變調(diào)功的外層空間溫度環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

代海林 袁偉峰 賀 云 張麗麗 張 濤

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京，100094）

引 言

為了確保航天飛行器中各種關(guān)鍵儀器和設(shè)備安全可靠地工作，往往需要建立外層空間環(huán)境模擬系統(tǒng)進(jìn)行性能測試和可靠性試驗(yàn)[1]。外層空間指的是地球大氣層及其他天體之外的虛空區(qū)域，溫度變化劇烈，還有輻射、電磁場等。由于空間輻照中的中子和質(zhì)子通過形成原子位移效應(yīng)，使半導(dǎo)體產(chǎn)生永久性損傷而失效，從而大大增加了空間環(huán)境輻照場、溫度場和電磁場等多物理場耦合環(huán)境模擬的難度。目前，國內(nèi)外大都是單獨(dú)進(jìn)行高能輻照、溫度場或者電磁場環(huán)境模擬，很少見兩個(gè)或多個(gè)物理場耦合環(huán)境的模擬[2-5]。

本文在考慮輻照的前提下，建立了外層空間溫度和輻照環(huán)境模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，選用制冷機(jī)組和加熱組件對系統(tǒng)進(jìn)行加熱和制冷，結(jié)合防凍液循環(huán)與氣體循環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)了環(huán)境模擬溫箱溫度的遠(yuǎn)程控制和防輻照設(shè)計(jì)。在溫箱溫度控制方面，將整個(gè)溫度控制過程分為制冷、加熱和保溫3個(gè)階段并分別進(jìn)行控制，溫控效果良好，可以滿足空間溫度環(huán)境模擬的要求。

1 空間溫度環(huán)境模擬系統(tǒng)組成

根據(jù)待測試設(shè)備的需要，確定了溫度環(huán)境模擬的技術(shù)指標(biāo)：（1）溫度環(huán)境模擬溫箱可承受輻照總劑量≥50 krad；（2）溫箱溫度范圍-20～60℃；（3）溫度控制精度±1℃；（4）變溫速率3～15℃/h；（5）溫變誤差優(yōu)于3℃/h。

由于所模擬的空間溫度環(huán)境系統(tǒng)需要接受高劑量輻照（≥50 krad，由專門的輻照場所提供），因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行防輻照設(shè)計(jì)?；诖耍⒘送鈱涌臻g溫度、輻照環(huán)境模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，即僅將溫度環(huán)境模擬溫箱放置在輻照場中，其余設(shè)備盡量遠(yuǎn)離輻照區(qū)域，通過防凍液循環(huán)與氣體循環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)環(huán)境模擬溫箱溫度的遠(yuǎn)程控制[6]。同時(shí)，對輻照敏感的設(shè)備進(jìn)行抗輻照設(shè)計(jì)?？臻g溫度環(huán)境模擬系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 空間溫度環(huán)境模擬系統(tǒng)的組成Fig.1 Composition of the space temperature environment simulation system

由圖1可見空間溫度環(huán)境模擬系統(tǒng)主要由輻照源、溫度環(huán)境模擬溫箱、氣液兩相換熱溫箱、制冷/加熱溫箱、中央控制單元、溫度采集模塊、防凍液循環(huán)泵及管路，以及氣體循環(huán)風(fēng)機(jī)及管路等組成。其中，溫度環(huán)境模擬溫箱放在輻照場內(nèi)正對輻照源，中央控制單元放在輻照場外面，制冷/加熱溫箱放在輻照場內(nèi)距離輻照源較遠(yuǎn)的迷宮（指的是具有多個(gè)直角拐彎的通道，輻照劑量每經(jīng)過一個(gè)直角拐角衰減99%[7]）出口，氣液兩相換熱溫箱放在環(huán)境模擬溫箱附近。制冷/加熱溫箱與氣液兩相換熱溫箱之間采用循環(huán)泵和10 m長的管路進(jìn)行防凍液的循環(huán)，氣液兩相換熱溫箱和環(huán)境模擬溫箱之間采用循環(huán)風(fēng)機(jī)和2.5 m長的管路進(jìn)行冷熱氣體的循環(huán)，與氣體相比，防凍液具有大比熱容、流速穩(wěn)定且可采用細(xì)管傳輸，可有效減小遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臒釗p耗。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用防凍液遠(yuǎn)距離傳輸與氣體短距離傳輸相結(jié)合的傳輸方式，大大減小了工質(zhì)傳輸過程中的溫度變化，提高了環(huán)境模擬溫箱的溫度可控性。

在制冷/加熱溫箱中，安裝有制冷機(jī)組和加熱裝置，分別對溫箱中的防凍液進(jìn)行制冷和加熱。其中，制冷機(jī)組的冷凝器安裝在溫箱的上半部分，加熱棒布置在溫箱的底部，二者都浸泡在防凍液中。

系統(tǒng)采用環(huán)境模擬溫箱進(jìn)氣口的溫度反饋信號Tf來閉環(huán)調(diào)節(jié)制冷/加熱溫箱中防凍液的溫度。首先，溫度采樣電路通過傳感器PT1000采集環(huán)境模擬溫箱進(jìn)氣口的溫度信號Tf并經(jīng)RS-485總線反饋至中央控制單元的工控機(jī)進(jìn)行溫箱的溫度顯示；同時(shí)溫箱溫度反饋信號與設(shè)定的溫度信號一起再通過RS-485總線發(fā)送給制冷/加熱溫箱的溫度控制電路，進(jìn)行加熱裝置輸出功率的調(diào)節(jié)和制冷機(jī)組的啟/?？刂疲瑢?shí)現(xiàn)防凍液溫度的控制。溫度受控的防凍液再經(jīng)循環(huán)管路傳輸至氣液兩相換熱溫箱，通過換熱器轉(zhuǎn)換成溫度可控的冷熱氣體，該氣體再通過氣體循環(huán)管路傳輸至環(huán)境模擬溫箱，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境模擬溫箱溫度的遠(yuǎn)距離精確控制。

2 冷熱負(fù)荷計(jì)算及主要設(shè)備選擇

選擇汽車防凍液作為制冷/加熱溫箱與氣液兩相換熱溫箱之間的液體傳輸介質(zhì)，主要是基于以下原因[8]：

（1）汽車防凍液的工作溫度范圍一般在-40～110℃之間，滿足環(huán)境模擬溫箱-20～60℃的溫度變化要求，而不會出現(xiàn)低溫凝固或高溫沸騰的現(xiàn)象；

（2）防凍液具有較大的比熱容，與加熱/制冷空氣相比，可以降低溫度的超調(diào)量，有利于提高模擬溫箱的溫度控制精度；

（3）防凍液具有大比熱容、流速穩(wěn)定且可采用細(xì)管傳輸，可以減小遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臒釗p耗。

2.1 負(fù)荷計(jì)算

防凍液按照50 kg計(jì)算，則當(dāng)溫變速度為15℃/h時(shí)，防凍液需要輸入/輸出的熱量為

式中c=3.48 kJ/(kg·℃)，則Q=2.61×106J。需要的制冷/加熱的功率為

式中：η為效率，按0.6估算。主要考慮散熱損失和傳輸損失，則P=1.21 kW。

因此，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，采用1.6 kW的制冷機(jī)組和加熱裝置可以滿足溫變速率為15℃/h的溫控要求。

2.2 制冷裝置

由于模擬溫箱的最低溫度為-20℃，因此考慮傳輸損耗和制冷速度的要求，防凍液的最低制冷溫度應(yīng)低于-25℃，常規(guī)R22制冷劑的蒸發(fā)溫度難以滿足要求。因此，制冷劑采用RA404，制冷壓縮機(jī)選擇丹佛斯SC10CL冷柜壓縮機(jī)，防凍液的最低溫度可達(dá)-30℃。

考慮到溫度變化速率范圍為3～15℃/h，溫變范圍比較寬；同時(shí)，低溫的制冷機(jī)組很難找到變頻機(jī)組，因此采用2個(gè)800 W的定頻冷柜制冷機(jī)組制冷[9-11]。這樣，根據(jù)溫變速率大小，可以靈活開啟一個(gè)機(jī)組或者兩個(gè)機(jī)組同時(shí)開啟，從而減小系統(tǒng)溫度控制的超調(diào)量，提高控制精度。

2.3 加熱裝置

加熱裝置采用電阻加熱和先進(jìn)的逆變調(diào)功技術(shù)，其工作原理框圖如圖2所示。

圖2 加熱裝置工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of heating equipment

在圖2中，加熱器采用電阻絲加熱，電阻絲封裝在不銹鋼管內(nèi)。加熱電路采用Buck主電路，主要由IGBT功率開關(guān)管T1、快恢復(fù)二極管D1構(gòu)成[12-13]。全橋整流電路將輸入的AC220 V交流電進(jìn)行整流，然后通過Buck斬波電路中IGBT功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷實(shí)現(xiàn)加熱功率的調(diào)節(jié)。

Buck電路中IGBT功率開關(guān)管的PWM控制脈沖的頻率為18 kHz左右，改變IGBT開關(guān)管的占空比就可以調(diào)節(jié)加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)加熱溫度的精度控制。

2.4 溫度傳感器

溫度傳感器采用PT1000鉑電阻，其溫度和電阻值擬合曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，PT1000溫度傳感器具有良好的線性度，約4 Ω/℃，具有較高的分辨率，可以滿足溫箱溫度控制的需要。

圖3 PT1000溫度和電阻值擬合直線Fig.3 Temperature and resistance fitting line of PT1000

2.5 溫度采樣電路

溫度采樣電路如圖4所示。在圖4中，由LM4040A產(chǎn)生4.1 V電壓基準(zhǔn)，PT1+和PT1-連接至PT1000熱敏電阻，阻值用Rp表示；R3，R4的阻值為 1 kΩ，R5的阻值為900 Ω，對應(yīng)-25.5℃。PT1000熱敏電阻反饋的電壓信號（PT1+）與-25.5℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電阻分壓值（1.942 V）進(jìn)行差動運(yùn)算放大，得到溫度信號Tf1。其中，運(yùn)算放大器采用LM258單電源運(yùn)放，差動放大倍數(shù)為10倍。

圖4 溫度采樣電路Fig.4 Temperature sampling circuit

可計(jì)算溫度信號Tf1為

當(dāng)溫度為-20℃時(shí)，對應(yīng)的輸出電壓為0.24 V；當(dāng)溫度為0℃時(shí)，對應(yīng)的輸出電壓為1.08 V；當(dāng)溫度為60℃時(shí)，對應(yīng)的輸出電壓為3 V。

3 溫度控制方法

由于環(huán)境模擬溫箱的溫度控制在加熱階段需要采用加熱棒進(jìn)行升溫，而在降溫階段則是靠制冷機(jī)組進(jìn)行制冷，保溫階段為了維持恒定的溫度則時(shí)而需要加熱，時(shí)而需要制冷，因此在實(shí)施溫度控制時(shí)，需對加熱階段、制冷階段和保溫階段分別給予控制。

3.1 溫度控制原理

外層空間環(huán)境模擬溫箱的溫度設(shè)定值是通過中央控制單元的工控機(jī)預(yù)先設(shè)定溫變曲線、循環(huán)次數(shù)，然后通過RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)下載到制冷/加熱溫箱的MC9S12XEP100MAL單片機(jī)進(jìn)行控制。溫度控制的目的就是使實(shí)際的溫度能夠按此預(yù)設(shè)的溫變曲線和循環(huán)次數(shù)進(jìn)行變化。

溫度控制系統(tǒng)工作原理如圖5所示。在圖5中，溫度控制系統(tǒng)的控制器對應(yīng)MC9S12XEP100MAL飛思卡爾單片機(jī)，執(zhí)行器對應(yīng)制冷機(jī)組和加熱裝置，測量變送對應(yīng)PT1000溫度傳感器，被控對象對應(yīng)外層空間溫度環(huán)境模擬溫箱，被控量為模擬溫箱進(jìn)氣口的溫度。由于該溫度控制系統(tǒng)具有較大的慣性，控制周期設(shè)置為10 s。

3.2 加熱階段

加熱階段的判斷：ΔTvg＞0，ΔTvg為設(shè)定的溫變速度。

圖5 溫度控制系統(tǒng)工作原理Fig.5 Schematic diagram of temperature control system

由于加熱控制采用逆變調(diào)功技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)加熱功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，因此采用增量式PID控制算法進(jìn)行加熱階段的溫升控制[14-16]。

一般地，增量PID形式為

式中：e(k)為當(dāng)前時(shí)刻的溫度誤差；Δe(k)=e(k)-e(k-1)；KP為比例常數(shù)，能迅速反映誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差，但KP的增大會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；KI為積分常數(shù)，可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但積分作用太強(qiáng)會使系統(tǒng)超調(diào)加大和引起系統(tǒng)振蕩；KD為微分常數(shù)，可以減小超調(diào)，克服振蕩，加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。

根據(jù)數(shù)字PID控制器的增量輸出Δu(k)，可以得到輸出控制量u(k)為

由于文中溫控系統(tǒng)的熱傳遞過程比較復(fù)雜，系統(tǒng)參數(shù)隨著溫度改變而不斷變化，不易得出精確的系統(tǒng)模型。為了提高系統(tǒng)的控制精度，加強(qiáng)控制的魯棒性，加熱階段采用模糊PID進(jìn)行控制。

模糊PID是以溫差e和溫差變化率ec作為模糊控制器的輸入，以PID參數(shù)KP，KI，KD作為模糊控制器的輸出，利用模糊控制規(guī)則對PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，通過輸出的控制量，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)以減小偏差，直到把溫度控制在允許范圍內(nèi)。模糊PID的控制框圖如圖6所示。

圖6 模糊PID控制框圖Fig.6 Fuzzy PID control block diagram

將溫差e和溫差變化率ec模糊化后，得到模糊變量E和EC。設(shè)E，EC，KP，KI，KD的模糊子集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。這 5個(gè)變量的論域均為[-6，6]，量化因子Ke=0.83，Kec=0.5，各輸入輸出服從三角形隸屬函數(shù)分布，函數(shù)分布曲線如圖7所示。

圖7 隸屬函數(shù)曲線Fig.7 Membership function curve

根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立了KP，KI，KD的模糊規(guī)則，規(guī)則控制表如表1所示。表1中ΔKP，ΔKI，ΔKD的輸出比例因子均為1。由規(guī)則控制表可以得到實(shí)際的控制參數(shù)為

式中：KP0，KI0，KD0為參數(shù)初始值。將KP，KI，KD三個(gè)參數(shù)代入增量式 PID 算法的式（4，5）中，即可得到輸出控制量u(k)。輸出控制量u(k)經(jīng)單片機(jī)電路的D/A轉(zhuǎn)換電路變換成模擬量Ug，然后傳輸至SG2525A，調(diào)節(jié)PWM脈沖的寬度，進(jìn)而改變IGBT的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)加熱功率的快速調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制。

表 1 ΔKP、ΔKI、ΔKD的規(guī)則控制表Tab.1 Rule control table for ΔKP，ΔKI，ΔKD

3.3 制冷階段

制冷階段的判斷：ΔTvg＜0。將兩臺制冷壓縮機(jī)分為3個(gè)檔位：0檔（無壓機(jī)啟動）、1檔（1個(gè)壓機(jī)啟動）和2檔（2個(gè)壓機(jī)啟動），首次啟動制冷時(shí)默認(rèn)為1檔。因此制冷控制主要包括加檔、減檔和保持3種控制模式。各種控制模式切換的模糊判據(jù)如表2所示。其中，ΔTvf為實(shí)際的溫度變化速度。

表2 制冷階段控制模式切換的模糊判據(jù)Tab.2 Fuzzy criterion of control mode changing in the cooling stage

3.4 保溫階段

保溫階段的判斷：ΔTvg=0。由于ΔTvg=0，因此保溫控制應(yīng)盡量使|ΔTvf|趨近于0。如果ΔTvf＞0，且Tg＞Tf-0.4，則切換至制冷控制模式；如果ΔTvf＜0，且Tg＜Tf-0.4，則切換至加熱控制模式；否則，保持當(dāng)前控制模式。保溫階段的制冷控制模式和加熱控制模式與加熱階段、制冷階段的控制方法基本相同。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

在空間溫度環(huán)境模擬系統(tǒng)聯(lián)調(diào)成功后，進(jìn)行了加熱、制冷和保溫，以及3℃/h和15℃/h溫度變化試驗(yàn)，試驗(yàn)的結(jié)果如圖8—12所示。

由圖8可以看出，在加熱階段，由模糊PID控制的環(huán)境模擬溫箱的實(shí)際溫度反饋值與設(shè)定的溫度曲線擬合得非常好，溫度控制精度達(dá)到了0.1℃，而傳統(tǒng)PID方式的控制效果則不是很理想，表明所采用模糊PID控制算法和逆變調(diào)功方法具有優(yōu)良的控溫效果。

由圖9可以看出，由于制冷機(jī)組的檔位較少，不能實(shí)施精細(xì)的制冷量控制，因此環(huán)境模擬溫箱的實(shí)際溫度反饋值與設(shè)定的溫度曲線存在一定誤差，但是溫度誤差均在允許范圍±0.5℃以內(nèi)，小于±1℃，可以滿足系統(tǒng)的溫度控制要求。

由圖10可以看出，在高溫60℃保溫時(shí)，主要為加熱控制模式，保溫初始階段溫度超調(diào)量小（低于0.2℃），且保溫過程溫度恒定，控溫精度高，效果較好；在低溫-20℃保溫時(shí)，主要為制冷控制模式，溫度波動較大，實(shí)際的溫度反饋值在-20℃附近波動，但其最大的溫度誤差為0.7℃，溫度誤差均在允許范圍內(nèi)。

圖8 加熱階段溫變曲線Fig.8 Temperature variation curve of heating stage

圖9 制冷階段溫變曲線Fig.9 Temperature variation curve of cooling stage

圖10 保溫階段溫度曲線Fig.10 Temperature variation curve of heat preservation stage

由圖11和圖12可以看出，在溫度變化速度分別為3℃/h和15℃/h的一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，環(huán)境模擬溫箱的溫度反饋值和設(shè)定的溫變曲線擬合良好，達(dá)到了-20～60℃溫度變化范圍、±1℃溫度控制精度、3～15℃/h變溫速率等主要技術(shù)指標(biāo)，滿足空間溫度環(huán)境模擬系統(tǒng)的使用要求。

圖11 3℃/h溫變曲線Fig.11 Temperature variation curve at speedof 3℃/h

圖12 15℃/h溫變曲線Fig.12 Temperature variation curve at speedof 15℃/h

5 結(jié)束語

（1）建立了外層空間溫度、輻照環(huán)境模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合防凍液循環(huán)與氣體循環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)了環(huán)境模擬溫箱溫度遠(yuǎn)程控制和防輻照設(shè)計(jì)。

（2）將溫控過程分為加熱、制冷和保溫3個(gè)階段，并分別進(jìn)行控制。加熱階段采用增量式PID控制算法和逆變調(diào)功方法進(jìn)行控制，制冷階段根據(jù)溫變速率和溫度誤差進(jìn)行模糊控制，而保溫階段則采取加熱和制冷聯(lián)合控制的方法，溫控效果良好。

（3）環(huán)境模擬溫箱的溫變曲線和設(shè)定的溫變曲線擬合良好，能夠達(dá)到-20～60℃溫度變化范圍、±1℃溫度控制精度、3～15℃/h變溫速率等主要技術(shù)指標(biāo)，滿足空間溫度環(huán)境模擬系統(tǒng)的使用要求。