航天器熱真空試驗(yàn)溫度控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航天器地面熱試驗(yàn)領(lǐng)域，特別是涉及航天器真空熱試驗(yàn)溫度控制領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 航天器熱真空試驗(yàn)是在規(guī)定的真空與熱循環(huán)條件下驗(yàn)證航天器各種性能與功能 的試驗(yàn)。它是航天器正樣研制階段多項(xiàng)環(huán)境模擬試驗(yàn)中的重要試驗(yàn)之一。試驗(yàn)的主要目的 是使航天器在真空與熱循環(huán)條件下暴露航天器的材料和制造工藝缺陷、排除早期失效，從 而大大提高了航天器在軌運(yùn)行的可靠性。
[0003] 航天器熱真空試驗(yàn)是在地面上模擬航天器在太空環(huán)境工作時(shí)受到的真空、低溫、 太陽輻射等惡劣條件。一般是在真空的環(huán)境模擬室內(nèi)進(jìn)行，用太陽模擬器或者紅外模擬器 作為熱源照射被試驗(yàn)組件，使其到達(dá)預(yù)先要求的試驗(yàn)溫度或者熱流，考察航天器各方面的 性能是否滿足要求。
[0004] 在航天器熱真空試驗(yàn)中，除了要模擬真空條件外，還有對(duì)航天器上組件的溫度進(jìn) 行控制，當(dāng)控制方法不當(dāng)或者控制參數(shù)選取不合理時(shí)，將引起航天器過試驗(yàn)和欠試驗(yàn)。過試 驗(yàn)可能使航天器上某些儀器設(shè)備損壞或縮短工作壽命，欠試驗(yàn)則可導(dǎo)致航天器上某些儀器 設(shè)備得不到應(yīng)有的考驗(yàn)。特別是由于熱試驗(yàn)的真空環(huán)境散熱極為緩慢的特點(diǎn)，在進(jìn)行溫度 控制時(shí)，當(dāng)溫度曲線出現(xiàn)超調(diào)時(shí)，超調(diào)很難減小，極易導(dǎo)致過試驗(yàn)。并且由于航天器熱真空 試驗(yàn)成本高、周期長，一般很難試驗(yàn)之前對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行在線調(diào)試，所以對(duì)溫度控制系 統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性提出了更高的要求。
[0005] 由于航天器熱真空試驗(yàn)所處的特殊環(huán)境和設(shè)備條件的限制，如何提高航天器熱真 空試驗(yàn)溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性、魯棒性和適應(yīng)性是一個(gè)重要且有挑戰(zhàn)性的 工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且超調(diào)量 可控的溫度控制。
[0007] 為解決該問題，一方面本發(fā)明提供了一種航天器熱真空試驗(yàn)溫度控制方法，包括 步驟：
[0008] 使用兩個(gè)測(cè)量范圍不同的測(cè)溫儀，分別為第一測(cè)溫儀和第二測(cè)溫儀，同時(shí)對(duì)加熱 中心位置進(jìn)行測(cè)量；所述第一測(cè)溫儀在被測(cè)部件上監(jiān)測(cè)第一測(cè)量區(qū)域，得到該測(cè)量區(qū)域平 均溫度T 1;所述第二測(cè)溫儀在被測(cè)部件上監(jiān)測(cè)第二測(cè)量區(qū)域，得到該測(cè)量區(qū)域平均溫度T 2; 其中第一測(cè)量區(qū)域的范圍小于第二測(cè)量區(qū)域；并且所述第一測(cè)量區(qū)域、所述第二測(cè)量區(qū)域 的中心位置與所述加熱中心位置重合；
[0009] 在每個(gè)采樣周期內(nèi)，將兩個(gè)平均溫度的比值IVT2作為PID控制器中比例和積分時(shí) 間系數(shù)的整定參數(shù)，根據(jù)IVT 2的變化對(duì)比例和積分時(shí)間系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線整定，用整定過 的系數(shù)修正上一采樣周期PID控制器的比例和積分時(shí)間系數(shù)；
[0010] 再根據(jù)當(dāng)前第一平均溫度T1作為已更新比例和積分時(shí)間系數(shù)的所述PID控制器 的輸入量，獲得當(dāng)前熱源功率的變化值；
[0011] 根據(jù)所述變化值調(diào)整所述熱源的輸出功率后，所述熱源繼續(xù)對(duì)被測(cè)部件進(jìn)行加 熱，隨后在下一個(gè)采樣周期內(nèi)再次監(jiān)測(cè)溫度并重復(fù)上述步驟，循環(huán)直到試驗(yàn)結(jié)束。
[0012] 優(yōu)選地，所述激光功率的變化值Δ u有：
[0013] Δ u = Kp* [error (k) - error (k-1) ] +Ki^error (k) +Kd* [error (k)-2*error(k-1)+error(k-2)]；
[0014] 其中，k代表當(dāng)前時(shí)刻，k-1代表上一時(shí)刻，比例系數(shù)Kp、積分時(shí)間系數(shù)Kp微分時(shí) 間系統(tǒng)Kd，error (X)為X時(shí)刻T1與目標(biāo)溫度的差值；
[0015] 所述比例系數(shù)Kp、積分時(shí)間系數(shù)Ki是兩平均溫度比值T VT2的非線性函數(shù)，在熱試 驗(yàn)過程中隨!^/^的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)整定。
[0016] 優(yōu)選地，設(shè)當(dāng)前時(shí)刻平均溫度比值有A = T/r2, α為可調(diào)參數(shù)，則：
[0017] 所述比例系數(shù)的整定算法為Kp(A) = Κρ(ι*Αα，Kptl為預(yù)設(shè)的初值；
[0018] 所述積分時(shí)間系數(shù)的整定算法為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種航天器熱真空試驗(yàn)溫度控制方法，其特征在于，所述方法包括步驟： 使用兩個(gè)測(cè)量范圍不同的測(cè)溫儀，分別為第一測(cè)溫儀和第二測(cè)溫儀，同時(shí)對(duì)加熱中心 位置進(jìn)行測(cè)量；所述第一測(cè)溫儀在被測(cè)部件上監(jiān)測(cè)第一測(cè)量區(qū)域，得到該測(cè)量區(qū)域平均溫 度T1;所述第二測(cè)溫儀在被測(cè)部件上監(jiān)測(cè)第二測(cè)量區(qū)域，得到該測(cè)量區(qū)域平均溫度T 2;其中 第一測(cè)量區(qū)域的范圍小于第二測(cè)量區(qū)域；并且所述第一測(cè)量區(qū)域、所述第二測(cè)量區(qū)域的中 心位置與所述加熱中心位置重合； 在每個(gè)采樣周期內(nèi)，將兩個(gè)平均溫度的比值IVT2作為PID控制器中比例和積分時(shí)間系 數(shù)的整定參數(shù)，根據(jù)IVT2的變化對(duì)比例和積分時(shí)間系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線整定，用整定過的系 數(shù)修正上一采樣周期PID控制器的比例和積分時(shí)間系數(shù)； 再根據(jù)當(dāng)前第一平均溫度T1作為已更新比例和積分時(shí)間系數(shù)的所述PID控制器的輸 入量，獲得當(dāng)前熱源功率的變化值； 根據(jù)所述變化值調(diào)整所述熱源的輸出功率后，所述熱源繼續(xù)對(duì)被測(cè)部件進(jìn)行加熱，隨 后在下一個(gè)采樣周期內(nèi)再次監(jiān)測(cè)溫度并重復(fù)上述步驟，循環(huán)直到試驗(yàn)結(jié)束。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，所述激光功率的變化值△ u有： Δ u = Kp*[error(k)-error (k-1)]+Ki^error(k)+Kd*[error(k) _ 2*error(k-1)+error(k-2)]； 其中，k代表當(dāng)前時(shí)刻，k-1代表上一時(shí)刻，比例系數(shù)Kp、積分時(shí)間系數(shù)Ki、微分時(shí)間系 統(tǒng)Kd，error (X)為X時(shí)刻T1與目標(biāo)溫度的差值； 其特征在于，所述比例系數(shù)&、積分時(shí)間系數(shù)Ki是兩平均溫度比值T1/T2的非線性函 數(shù)，在熱試驗(yàn)過程中隨!^/^的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)整定。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，設(shè)當(dāng)前時(shí)刻平均溫度比值有A = T /Γ2, α 為可調(diào)參數(shù)，則： 所述比例系數(shù)的整定算法為Kp(A) = Κρ(ι*Αα，Kptl為預(yù)設(shè)的初值； 所述積分時(shí)間系數(shù)的整定算法為：
Kitl為預(yù)設(shè)的初值，Amax為本次試驗(yàn)中已采樣的A的最大值； 所述PID控制中的微分時(shí)間系數(shù)&為預(yù)設(shè)的常數(shù)。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述可調(diào)參數(shù)α根據(jù)超調(diào)量及調(diào)整時(shí)間要 求進(jìn)行設(shè)置。
5. 如權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述可調(diào)參數(shù)α的取值范圍為大于等 于0且小于等于10。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一測(cè)量區(qū)域的直徑不大于2_。
7. 如權(quán)利要求1或6所述的方法，其特征在于，兩個(gè)測(cè)量區(qū)域的面積比最佳為4-100。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的采樣周期的范圍大于等于10毫秒且 小于等于10秒。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述PID控制器為增量式PID控制器或者傳 統(tǒng)PID控制器。
10. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述熱源為連續(xù)激光器或者脈沖激光器； 所述測(cè)溫儀為單色紅外測(cè)溫儀或者比色紅外測(cè)溫儀。
【專利摘要】本發(fā)明涉及航天器地面熱試驗(yàn)領(lǐng)域，公開了一種航天器熱真空試驗(yàn)溫度控制方法。該方法包括步驟：使用兩個(gè)測(cè)量范圍不同的測(cè)溫儀，同時(shí)對(duì)激光加熱中心位置進(jìn)行測(cè)量，分別獲得兩個(gè)測(cè)量范圍的平均溫度T1、T2；將兩個(gè)平均溫度的比值T1/T2作為PID控制器中比例和積分時(shí)間系數(shù)的整定參數(shù)，根據(jù)T1/T2的變化對(duì)比例和積分時(shí)間系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線整定，利用整定過的系數(shù)通過PID控制獲得當(dāng)前加熱功率的變化值；根據(jù)所述變化值調(diào)整加激光的輸出功率。本發(fā)明在使被控溫度的超調(diào)量大大減小的條件下，使被控溫度的調(diào)整時(shí)間不增加，同時(shí)還增強(qiáng)了航天器熱試驗(yàn)溫度控制系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性。
【IPC分類】G05D23-32
【公開號(hào)】CN104731131
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410648692
【發(fā)明人】虞鋼, 甘政濤, 李少霞, 鄭彩云, 何秀麗, 寧偉健
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院力學(xué)研究所
【公開日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2014年11月14日