真空热试验中闭环温度控制参数分析

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1、第27卷第5期航天器环境工程2010年l0月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEEItJNG6l1真空热试验中闭环温度控制参数分析顾苗，刘劲松(北京卫星环境工程研究所，北京100094)摘要：为了满足航天器真空热试验温度控制的新要求，文章通过对控制参数与温度控制设定目标值之间数值关系的分析与研究，得出通过电阻性加热器加热、以辐射换热为主要加热途径的温控系统对象，最优比例参数K值与目标设定温度成近似正比关系，积分参数正值可取固定值，微分参数乃对控制动态品质影响可忽略。具有上述特性的系统可使用参数寻找方法：即在真空热试验之前通过热响应曲线套用公式确定该对

2、象的数学模型，然后使用数值分析的方法，寻找最优的PID参数。通过这种预先估计PID控制参数方法，可以改善电阻特性类控温系统的控制品质。关键词：真空热试验；数学模型；温度控制；PID控制中图分类号：V416．5文献标识码：B文章编号：1673-1379(2010)05-0611-05DOh10．3969a．issn．1673-1379．2010．05．0140引言航天器部组件、整星的真空热试验中，温度是测量与控制的关键参数。目前温度控制中又提出了斜率控制、稳定度等动态指标要求。在热试验温度控制过程中，不仅每次试验对象不同，其热特性也有较大差异，而且试验之前温度控制不允许

3、有调试过程，对温度升降斜率与超调量指标的要求均比目前工业生产严格【l】。这种依靠辐射换热的温度控制系统具有强非线性特性。因此，按照PID控制算法原理，对于每一个目标温度值均应寻找不同的最优PID参数。当前常用的温度控制方法一般用于对象长期不变的工业温度控制过程【2域者可在线调整控制参数的自适应控制器研列31。这两个研究对象与热试验过程有较大区别，其中最为突出的是热试验过程中每次的试验对象特性差异大，不可能有一个通用的最优参数。同时热试验过程中PID参数在线调整涉及因素多且复杂。本文的研究是根据调试经验寻找一组简便的PID参数确定方法。l热试验温度控制原理1．1热分区数

4、学模型热试验的航天器试验件处于真空、低温、冷黑环境，主要通过辐射进行换热。根据热辐射原理，可得到其中一个热分区的机理方程q【酬2+G阻(f)+绋叫=G掣+z秽一为(1)根据试验数据拟合可得C2=al丁(f)r+6。(2)(1)式中Cl(K％2)、c3表示与热分区电阻特性、试验件该分区的热容特性、热沉表面尺寸、热沉热特性有关的参数，在试验件与热试验用容器与热沉均确定且加热器冷态和热态电阻变化很小的条件下可看作常量；c2为试验件时间常数的表征量，通过众多试验数据拟合可得C2与当前温度的4次方成正比，K4；，(f)为该分区内的电流，A；T(t)为当前的温度，K；瓦为热沉温度

5、，K；QN(f)为当前该分区内热，w；Qw(f)为相邻分区对该分区的热影响，W：t为时间。在上述机理表达式中，只要给定不同的C、a、b、c'即可代表不同试验件、不同热分区的热特性。特别注意，该数学模型只适用于红外笼等冷态和热态电阻变化很小的温度控制系统。因次，对于某一个热试验对象，只要根据每个分区的热响应测试曲线，即可获得每个分区相应的特征模型，从而为控制数值参数分析做好准备。收稿日期：2009．09．02；修回日期：2009．10．16基金项目：航天科技基金资助项目作者简介：顾苗(1982一)，女，硕士学位，主要从事航天器热真空试验测控技术研究。联系电／g：(010

6、)68747257．823．612航天器环境工程第27卷1．2热试验温度控制算法随着热试验要求的提高，温度控制要求温度升降斜率与温度误差在一定范围内。为了全面精确地控制各个部位的温度，可将航天器表面划分成不同的温区，在每个温区选择具有代表性的温度点作为温度反馈点，采用多路温度控制系统平行地对空间温度进行控制【4J，每一个控制回路的原理如图l所示。把某分区内的温度反馈点信号采集到计算机中与用户设定温度值比较，将得到的差值作为该回路控制器的参数，计算得出红外加热装置的输入，进行相应的控制，控制周期为lmin。其中该分区干扰来自相邻分区的红外加热装置辐射的热量。来自其他分区

7、的1I扰e]Nl-el路H红萎翟热b-q瑟E什ll--兀-r_1装黄n分数据采集器图l温度控制原理图Fig．1Flowchartoftemperaturecontrol由某分区的控制原理可以得出，每一个分区的温度控制精度取决于该回路控制器参数，参数选择的合理性直接影响该过程控制的动态偏差、斜率偏差、稳定性、过渡时间、静差等控制品质。目前热试验温度控制器均采用PID算法，控制过程采用积分分离法，克服积分饱和缺陷。控制原理为∞)=Ke(e+1￡edt+瓦詈)，(3)式中：““)为根据该算法所得的控制器输出；K为控制器增益；e为温度反馈点的温度偏差；正为积