全日面太陽磁場望遠鏡精密溫控系統(tǒng)研制*

張鑫偉，林佳本，鄧元勇

(1. 中國科學院太陽活動重點實驗室 (國家天文臺)，北京 100101；2. 中國科學院大學，北京 100049)

太陽磁場是太陽物理中最關鍵的物理量[1]，太陽耀斑、日冕、太陽黑子等日面活動都與太陽磁場有密切的聯(lián)系。懷柔太陽觀測基地(Huairou Solar Observing Station, HSOS)的全日面太陽磁場望遠鏡(Solar Magnetism and the Activity Telescope, SMAT)建成于2006年[2]，開展全日面矢量磁場和全日面Hα觀測，是具有國際一流水平的太陽磁場和太陽活動監(jiān)測設備。濾光器是全日面太陽磁場望遠鏡核心光學組成部件，其中的雙折射晶體的折射率對溫度變化十分敏感，溫度波動能直接導致觀測的太陽譜線中心偏移出656.281 ± 0.2 nm的設定要求[3]。因此，要使濾光器穩(wěn)定工作在要求的窄帶范圍內(nèi)，達到預期觀測目標，就要求光學原件的溫度穩(wěn)定精度必須控制在0.01 ℃以內(nèi)[4]。

全日面太陽磁場望遠鏡從建成至今已運行十多年，原有溫控系統(tǒng)精度大大下降，故障頻發(fā)，因此需要更換新的溫控系統(tǒng)。本設計既為設備改造升級，同時也為中國科學院先導專項A類項目先進天基太陽天文臺(Advanced Space-borne Solar Observatory, ASO-S)載荷之一全日面矢量磁像儀(Full disk vector MagnetoGraph, FMG)宇航級溫控系統(tǒng)設計積累技術經(jīng)驗。

國內(nèi)外對高精度恒溫控制系統(tǒng)有深入的研究。隨著電子技術與人工智能的發(fā)展，溫控系統(tǒng)中的測控電路集成度越來越高，溫控算法更多的結合神經(jīng)網(wǎng)絡等智能化方法，以適用于復雜非線性的溫控場合。在濾光器恒溫控制方面，南京天文儀器廠[5]將銅絲纏繞在濾光器內(nèi)核外圍，銅絲同時承擔測溫和加熱作用，達到了良好的溫控效果。在實驗室環(huán)境下，使用水銀溫度計目視測得恒溫精度達到了 ± 0.005 ℃，但繞制銅絲復雜耗時，且該工作主要完成在20世紀80年代，采用模擬電路控制方式，設計中的部分電子元器件已經(jīng)無替代產(chǎn)品可用，硬件電路設計方案也不能滿足高集成度、高性能、低功耗等新要求。懷柔太陽觀測基地在2012年完成的磁場望遠鏡濾光器控制系統(tǒng)[6]，采用兩級溫控方式，基本解決了濾光器溫控問題，應用于懷柔基地35 cm磁場望遠鏡，本文針對全日面太陽磁場望遠鏡濾光器，采用一級恒溫結構設計，提出基于前饋加反饋的控制方式，進一步簡化了濾光器精密溫控系統(tǒng)設計。濾光器溫控系統(tǒng)的主要難點在于，在室外環(huán)境下依舊對恒溫精度提出很高的要求，并且需要時間穩(wěn)定性。綜上，結合濾光器溫控要求精度高，在室外環(huán)境下，目前的溫控方案均不能直接適用于濾光器溫控問題，同時為了適應當前控制系統(tǒng)的發(fā)展潮流，需要對濾光器溫控問題進行針對性的研究。

本文對懷柔觀測基地全日面太陽磁場望遠設計如下溫控方案：首先采用24位高分辨率AD設計實現(xiàn)高精度溫度讀取電路，用脈沖寬度調制溫控電路實現(xiàn)加熱回路；用前饋加反饋的復合溫控算法，并設計低散熱的保溫結構。該系統(tǒng)在實驗室環(huán)境達到了42.216 ± 0.001 ℃的穩(wěn)定精度，在望遠鏡實際運行中，系統(tǒng)最大波動為0.007 5 ℃，均優(yōu)于0.01 ℃溫度穩(wěn)定度的指標要求。

1 系統(tǒng)介紹

全日面太陽磁場望遠鏡包含兩臺望遠鏡，一臺用于測量全日面矢量磁場，另一臺用于觀測全日面Hα。兩臺望遠鏡濾光器機械結構基本一致，因此，溫控系統(tǒng)可采用基本相似的硬件結構和相同的軟件系統(tǒng)完成兩臺望遠鏡的恒溫設計。本文主要以Hα望遠鏡為例介紹濾光器恒溫系統(tǒng)設計。

1.1 硬件構成

Hα望遠鏡濾光器恒溫控制結構設計簡圖如圖1。濾光器最內(nèi)層是包含光學器件的濾光器內(nèi)核，由內(nèi)向外依次是聚酰亞胺恒溫加熱膜、羊毛氈恒溫保溫層，最外層是濾光器的金屬外殼。嚴密的保溫結構設計是實現(xiàn)濾光器精密溫控的重要保障。Hα望遠鏡濾光器和數(shù)字溫度傳感器放置在全日面太陽磁場望遠鏡其中一個鏡艙內(nèi)，傳感器和加熱膜通過屏蔽線纜接入觀測室的溫控箱。

圖1 Hα望遠鏡濾光器結構及溫控系統(tǒng)框圖Fig.1 Hα telescope filter structure block and Temperature control system diagram

控制箱內(nèi)的硬件電路核心部件可分為3大模塊：精密測溫模塊、主控芯片模塊及PWM驅動加熱模塊。主控電路模塊除了主控芯片外，還包含外圍電壓管理電路單元和串口通信電路單元，電壓管理單元為主控芯片提供穩(wěn)定的能源供應，串口通信單元負責完成與上位機的數(shù)據(jù)交互。PWM驅動加熱模塊由高速MOSFET驅動器、MOS管和肖特基二極管組成，該模塊負責將主控芯片輸出的TTL電平升壓增流，以滿足加熱功率需求。

(1)

其中，正負號的選取需根據(jù)電橋輸出電壓的正負變化確定；U為224；u0為AD轉換后的值。

將求得的熱敏電阻值R代入Steinhart-Hart方程，求出對應阻值的溫度：

T=1/(c1+c2lnR+c3ln3R) ，

(2)

其中，T為熱力學溫標；c1，c2，c3為常數(shù)，由熱敏電阻傳感器廠家提供。

1.2 工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖2。系統(tǒng)工作時，微控制單元首先對溫控參數(shù)以及外設初始化，接著采集AD端的數(shù)字信號，經(jīng)過解析求得濾光器的當前溫度量，再經(jīng)過溫控算法得到加熱膜的控制量，轉化為脈沖寬度調制控制信號輸出，完成一次測控流程。

圖2 溫控系統(tǒng)流程圖

2 溫控算法設計與實現(xiàn)

溫控算法是整個控制系統(tǒng)的核心，通過分析濾光器溫控問題的特點，采用了前饋加積分分離PI反饋的復合控制方式。該算法將前饋控制的時效性和反饋控制的穩(wěn)定性的優(yōu)點結合在一起，有效地解決了濾光器溫控問題。

針對全日面太陽磁場望遠鏡濾光器溫控問題對穩(wěn)態(tài)特性要求高、動態(tài)特性要求較低的特點，主控方式選擇采用積分分離PI[7]的控制方式。積分分離PI傳遞函數(shù)：

(3)

其中，G(s)為輸出；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；s為輸入。

前饋控制系統(tǒng)根據(jù)擾動或給定值的變化進行補償[8]，其特點是當擾動產(chǎn)生后，被控變量還未變化前，根據(jù)擾動作用的大小進行控制，用來補償擾動對被控變量的影響。

在濾光器溫控系統(tǒng)中，環(huán)境溫度波動是系統(tǒng)外界干擾的主要因素之一，環(huán)境溫度和被控對象的溫差會影響溫控對象的散熱速率，進而需要調整溫控策略以使系統(tǒng)溫度穩(wěn)定。北京日氣溫變化平均可達10 ℃，年氣溫變化達40 ℃[9]。所以考慮環(huán)境溫度變化帶來的影響十分必要，因此，算法將全日面太陽磁場望遠鏡鏡艙內(nèi)的溫度作為參數(shù)引入溫控算法，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。圖3是引入前饋控制后的控制框圖。

圖3 積分分離PI與前饋控制結合的復合控制系統(tǒng)Fig.3 Integral separation PI and feedforward control combined control system

前饋控制需要將環(huán)境溫度對系統(tǒng)的擾動進行定量描述，才能引入溫控算法。因此，需要對全日面太陽磁場望遠鏡濾光器的溫度擾動模式進行研究。環(huán)境溫度變化直接導致濾光器的散熱速率發(fā)生變化，全日面太陽磁場望遠鏡濾光器的散熱方式主要是對流散熱，根據(jù)對流散熱公式：

Q=hAδ=Q0，

(4)

其中，h為換熱系數(shù)；A為有效換熱面積。對流散熱量Q與溫控對象表面與流體的溫差θ成正比，當溫差一定時，可以用恒定的加熱功率使得輸入熱量Q0等于耗散熱量Q，以達到溫控對象的恒溫要求。所以在設定溫度附近，為保持濾光器恒溫，系統(tǒng)輸出的控制量U(t)總大于0。

根據(jù)(4)式，散熱速率和溫差成正比，但直接使用正比例函數(shù)描述該擾動會增加外界溫度快速波動對溫控系統(tǒng)的影響，所以將正比例函數(shù)階梯化，如(5)式：

(5)

其中，INT()表示取整函數(shù)；B,C,D均是根據(jù)需求可調整的參數(shù)。階梯函數(shù)可以有效緩解外界溫度快速波動對系統(tǒng)溫控策略的影響。在實測時，根據(jù)調試數(shù)據(jù)累積，確定3個常數(shù)的值。前饋控制的加入可以迅速確定加熱功率的下邊界，避免干擾源導致控制系統(tǒng)出現(xiàn)擾動，甚至震蕩。

3 測試結果

3.1 實驗室測試結果

完成系統(tǒng)關鍵問題研究及硬件電路搭建和軟件系統(tǒng)編寫后，制作控制箱并搭建模擬實驗環(huán)境。實驗中，首先通過調節(jié)PI參數(shù)，消除溫控穩(wěn)態(tài)靜差，待穩(wěn)定后記錄兩通道的溫度數(shù)據(jù)并繪制曲線。光學儀器中，晶體部件對溫度變化敏感，升溫過快、不均勻會加大晶體損壞的風險。試驗中，濾光器從室溫19 ℃升至42 ℃耗時2.5 h。圖4是濾光器溫度平穩(wěn)后的溫度曲線。從圖4可以看出，溫度穩(wěn)定后濾光器在近20 min時間內(nèi)，溫度持續(xù)保持在42.216 ± 0.001 ℃內(nèi)，優(yōu)于穩(wěn)定度在0.01 ℃內(nèi)的指標要求。

圖4 濾光器溫控系統(tǒng)測試結果Fig.4 Test results of filter temperature control system

3.2 現(xiàn)場實測結果

在實驗室環(huán)境中，本方案設計的溫控系統(tǒng)表現(xiàn)良好穩(wěn)定，因此，于2018年8月用于全日面太陽磁場望遠鏡觀測現(xiàn)場。截止到目前，該系統(tǒng)已穩(wěn)定運行1年多。圖5是溫控系統(tǒng)在30 min內(nèi)溫度變化曲線，圖中相鄰數(shù)據(jù)點間隔6 s，從圖5可以看出，溫度數(shù)值均在42.212 3～42.219 8 ℃之間，最大波動0.007 5 ℃，滿足0.01 ℃的精度要求。計算均方根，如(6)式，得42.215 700 4。

圖5 實測中濾光器溫度變化曲線Fig.5 Filter temperature curve inactualmeasure

(6)

4 結 論

濾光器溫控是全日面太陽磁場望遠鏡的一項關鍵技術，高精度恒溫系統(tǒng)是望遠鏡準確穩(wěn)定工作的重要保障。本文針對室外環(huán)境工作的濾光器溫控問題設計的溫控系統(tǒng)，采用加熱膜及新型電子元件設計溫控方案，提出前饋加積分分離PI的復合一級溫控方式，簡化了系統(tǒng)設計。在實驗室環(huán)境中，系統(tǒng)在72 h內(nèi)保持穩(wěn)定工作，溫控精度優(yōu)于目標要求；實際運行1年，濾光器溫控穩(wěn)定精度波動在0.01 ℃范圍內(nèi)，產(chǎn)出大量高質量的科學數(shù)據(jù)。

當前系統(tǒng)雖然已經(jīng)達到了預期的設計目標，但在系統(tǒng)的設計、調試過程中發(fā)現(xiàn)有兩方面的問題可以進一步研究，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定度和可靠性：(1)確定溫控算法參數(shù)比較耗時，更換被控系統(tǒng)后還需重新進行參數(shù)整定；(2)算法考慮了環(huán)境溫度對濾光器溫控的干擾，但缺乏對太陽光照射到濾光器內(nèi)部能量的定量計算分析。因此，下一步將研究采用自適應溫控算法，方便系統(tǒng)調試使用，并分析太陽光對濾光器溫控的影響，進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力。