實(shí)現(xiàn)陀螺儀均勻溫度場(chǎng)的多加熱點(diǎn)協(xié)調(diào)溫度控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于溫度控制技術(shù)，特別設(shè)及一種針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)中巧螺儀勻溫度場(chǎng)的溫控 方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 巧螺儀是慣性導(dǎo)航的關(guān)鍵設(shè)備，由于其普遍具有較大的溫度漂移系數(shù)，因此溫度 的穩(wěn)定性對(duì)慣性導(dǎo)航精度有很大影響。為了給巧螺儀提供高精度的均勻溫度環(huán)境，需要對(duì) 巧螺儀進(jìn)行高精度的均勻溫度場(chǎng)控制。
[0003] 實(shí)現(xiàn)巧螺儀高精度的均勻溫度場(chǎng)控制的技術(shù)困難在于；1)無冷端且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。巧 螺儀的熱源分為巧螺工作發(fā)熱和加熱片發(fā)熱，但是沒有制冷源，只能通過與外界環(huán)境間散 熱降溫，即主動(dòng)加熱、被動(dòng)散熱。而且，巧螺儀捷聯(lián)裝置的幾何形狀非常復(fù)雜，其熱流模型難 W確立。2)溫度控制精度需求高。為了使巧螺儀工作在最理想的溫度環(huán)境中，對(duì)溫度控制 精度提出了很高的要求。穩(wěn)定時(shí)巧螺儀溫度的均值偏離設(shè)定值<0. rc，紋波<±0. oi5°c， 而由于Effl水平、元件精度W及運(yùn)算精度的制約，一般裝置往往難W滿足標(biāo)的要求。在工程 應(yīng)用中還希望控制裝置能在最短時(shí)間內(nèi)使巧螺儀溫度場(chǎng)達(dá)到設(shè)定值。鑒于W上難點(diǎn)，目前 暫沒有能達(dá)到技術(shù)標(biāo)的的控制裝置可供使用。
[0004] 現(xiàn)有的溫度控制裝置多采用分立模擬功放器件或單片機(jī)系統(tǒng)搭建經(jīng)典PID控制 器，更高級(jí)的控制裝置還內(nèi)建了被控模型。它們針對(duì)的往往是單個(gè)物件且散熱良好的簡(jiǎn)單 巧螺儀。但對(duì)于巧螺儀捷聯(lián)、加熱可控散熱不可控的復(fù)雜系統(tǒng)，不僅被控模型幾乎不可確 定，經(jīng)典控制裝置也不能同時(shí)滿足精度及速度需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)現(xiàn)巧螺儀均勻溫度場(chǎng)的溫度控制裝置，通過可變占空 比的高頻PWM功率輸出調(diào)制進(jìn)行多個(gè)加熱點(diǎn)協(xié)調(diào)溫度控制，能快速為巧螺儀建立均勻溫度 場(chǎng)且高精度地保持該溫度場(chǎng)，具有不需建立對(duì)象的精確散熱模型、調(diào)試容易、魯椿性強(qiáng)、人 機(jī)交互合理、可靠易用的特點(diǎn)。
[0006] 為了達(dá)到W上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予W實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 一種實(shí)現(xiàn)巧螺儀均勻溫度場(chǎng)的多加熱點(diǎn)協(xié)調(diào)溫度控制裝置，其特征在于，由信號(hào) 采集模塊、核屯、運(yùn)算模塊和功率控制模塊構(gòu)成，其中，信號(hào)采集模塊包括貼于巧螺儀多個(gè)測(cè) 溫點(diǎn)的銷電阻溫度傳感，該些傳感器共同接入一個(gè)高精密低溫漂電橋，該電橋得到的各傳 感器差分信號(hào)經(jīng)儀表放大器、A/D轉(zhuǎn)換器后，由電平轉(zhuǎn)換器輸入至核屯、運(yùn)算模塊；
[000引核屯、運(yùn)算模塊包括DSP微處理器和協(xié)處理器，協(xié)處理器檢測(cè)輸入的溫度設(shè)定指令 并傳入DSP微處理器，DSP微處理器讀取來自信號(hào)采集模塊的A/D信號(hào)進(jìn)行控制運(yùn)算，輸出 PWM控制信號(hào)至功率控制模塊；
[0009] 功率控制模塊包括一個(gè)PWM調(diào)理電路，來自DSP微處理器的PWM控制信號(hào)經(jīng)PWM 調(diào)理電路送入MOS功率管驅(qū)動(dòng)置于巧螺儀多個(gè)加熱點(diǎn)上的加熱片進(jìn)行均勻溫度場(chǎng)加熱。
[0010] 上述方案中，所述測(cè)溫點(diǎn)的數(shù)量等于加熱點(diǎn)的數(shù)量。
[0011] 所述核屯、運(yùn)算模塊中設(shè)有顯示屏，DSP微處理器回傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)處理器輸出 至顯示屏上。所述多個(gè)加熱點(diǎn)溫度變化過程數(shù)據(jù)被保存在核屯、運(yùn)算模塊的內(nèi)部存儲(chǔ)器中或 核屯、運(yùn)算模塊的外置存儲(chǔ)器中。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，由于將均勻溫度場(chǎng)控制問題轉(zhuǎn)化為一致性問 題，因此不需建立對(duì)象的精確散熱模型；在溫度保持階段，采用了基于溫度波動(dòng)的高速開關(guān) 溫度控制方法避免了調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，相較于現(xiàn)有的技術(shù)調(diào)試容易、魯椿性強(qiáng)；合理的配置 了人機(jī)交互界面，可W使操控人員直觀的了解溫度控制的效果并且控制其進(jìn)程。
【附圖說明】
[0013] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0014] 圖1為本發(fā)明多加熱點(diǎn)協(xié)調(diào)溫度控制裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0015] 圖2為本發(fā)明多加熱點(diǎn)協(xié)調(diào)溫度控制方法流程圖。
[0016] 圖3為本發(fā)明方法應(yīng)用實(shí)例各加熱點(diǎn)溫度變化曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 參考圖1，一種實(shí)現(xiàn)巧螺儀均勻溫度場(chǎng)的多加熱點(diǎn)協(xié)調(diào)溫度控制裝置，包括：
[0018] 信號(hào)采集模塊
[0019] 由n個(gè)銷電阻溫度傳感器、一個(gè)高精密低溫漂電橋、一個(gè)儀表放大器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn) 換器和一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。高精密低溫漂電橋的電路采用無感貴金屬膜電阻（單電阻 誤差<0. 01 %，配對(duì)誤差<0. 005%，溫飄<2ppm/°C )精密配對(duì)后搭建，盡可能降低電路噪聲 及熱漂移帶來的溫度測(cè)量噪聲與漂移。A/D轉(zhuǎn)換器采用高速高精度（〉25化SPS，真16位精 度，整體線性度誤差<2LSB，溫飄<2ppm/°C )多通道巧片，具有簡(jiǎn)單的通訊接口，并由高精 密低溫漂低噪聲化02%初始精度、2化pm/lOOOh的精度保持能力，溫飄<0. 5ppm/°C，噪聲 <1.加化-P)電源提供電壓基準(zhǔn)。電平轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)DSP微處理器與A/D巧片的通訊任務(wù)。
[0020] 核屯、運(yùn)算模塊
[0021] 由一個(gè)DSP微處理器、一個(gè)協(xié)處理器、一個(gè)存儲(chǔ)器組成。DSP微處理器負(fù)責(zé)調(diào)度各 個(gè)外圍設(shè)備W及運(yùn)行控制算法；協(xié)處理器負(fù)責(zé)鍵盤和顯示屏構(gòu)成的人機(jī)交互設(shè)備。
[0022] 功率控制模塊
[002引 由一個(gè)PWM調(diào)理電路、一個(gè)M0S功率管及n個(gè)加熱片組成。DSP微處理器產(chǎn)生的 PWM控制信號(hào)先經(jīng)過PWM調(diào)理電路變?yōu)槟茯?qū)動(dòng)M0S功率管的矩形波；M0S功率管采用開關(guān)速 度快、適合高頻應(yīng)用、低導(dǎo)通電阻的N溝道功率管，W降低線路損耗，減小控制信號(hào)崎變；加 熱片依據(jù)所需功率不同按需定制。
[0024] 各模塊之間功能協(xié)作關(guān)系如圖1箭頭所示；貼于巧螺儀3~6個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的銷電阻 溫度傳感器接入高精密低溫漂電橋，由該電橋得到的差分信號(hào)經(jīng)儀表放大器、A/D轉(zhuǎn)換器， 由電平轉(zhuǎn)換器輸入至DSP微處理器，協(xié)處理器時(shí)刻檢測(cè)是否有指令從鍵盤輸入，并傳入DSP 微處理器，DSP微處理器讀取A/D信號(hào)進(jìn)行控制運(yùn)算，輸出PWM控制信號(hào)。信號(hào)經(jīng)PWM調(diào)理 電路送入M0S功率管驅(qū)動(dòng)置于各個(gè)加熱點(diǎn)（與測(cè)溫點(diǎn)數(shù)量相同）的加熱片對(duì)巧螺儀進(jìn)行溫 度控制加熱。最終各加熱點(diǎn)溫度變化過程數(shù)據(jù)被保存在存儲(chǔ)器（可W使外置存儲(chǔ)器）中。 DSP微處理器回傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)處理器輸出至顯示屏上。
[0025] 參考圖2, 一種實(shí)現(xiàn)巧螺儀均勻溫度場(chǎng)的多加熱點(diǎn)協(xié)調(diào)溫度控制方法，給圖1裝置 上電，對(duì)DSP微處理器與協(xié)處理器進(jìn)行初始化，啟動(dòng)各個(gè)外設(shè)。當(dāng)協(xié)處理器檢測(cè)到按鍵命令 (溫度設(shè)定）后通知DSP微處理器開始溫度控制運(yùn)算，DSP微處理器在定時(shí)中斷條件下，按 W下步驟運(yùn)行：
[0026] (1)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，獲得溫度數(shù)字量數(shù)據(jù)；
[0027] (2)采用卡爾曼濾波算法對(duì)數(shù)字量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，減小噪聲干擾，再通過內(nèi)置的標(biāo) 定系數(shù)對(duì)溫度A/D值轉(zhuǎn)換，得到各測(cè)溫點(diǎn)實(shí)際溫度值{si，S2，一s。};
[002引 （3)根據(jù)設(shè)定溫度，判斷各測(cè)溫點(diǎn)溫度狀態(tài)，當(dāng)各測(cè)溫點(diǎn)溫度均小于目標(biāo)溫度STsrget的85 %，進(jìn)入步驟一；當(dāng)任一測(cè)定點(diǎn)溫度大于等于目標(biāo)溫度S 的85 %，進(jìn)入步驟 二；當(dāng)各測(cè)溫點(diǎn)溫度趨于一致，進(jìn)入步驟=;
[0029] 步驟一，為了實(shí)現(xiàn)較短的升溫時(shí)間，功率控制模塊PWM輸出信號(hào)為占空比100%， 各加熱點(diǎn)均W最大功率加熱，直到將巧螺儀任一加熱點(diǎn)的溫度由室溫加熱到目標(biāo)溫度 STa恥的 85%;
[0030] 步驟二，采取多加熱點(diǎn)協(xié)調(diào)加熱策略。各加熱點(diǎn)PWM信號(hào)依據(jù)W上策略在0%~ 100%區(qū)間變動(dòng)，最終使各加熱點(diǎn)溫度一致，形成均勻溫度場(chǎng)，記錄各PWM信號(hào)占空比終值。
[0031] 經(jīng)過最大功率加熱后，由于復(fù)雜的傳熱和散熱特性，各加熱點(diǎn)的溫度差距很大，如 果繼續(xù)W最大功率加熱下去，各加熱點(diǎn)的溫度最終不會(huì)同時(shí)穩(wěn)定在目標(biāo)溫度Shwt，因此需 要采取多加熱點(diǎn)協(xié)調(diào)溫度控制。
[003引假設(shè)系統(tǒng)有n(3~6)個(gè)加熱點(diǎn)，且各加熱點(diǎn)輸出功率為咕，32,…a。}，又具有n個(gè) 銷電阻溫度傳感器，測(cè)得溫度為（si，S2,…S。}，多加熱點(diǎn)協(xié)調(diào)加熱的目標(biāo)是調(diào)整{a。32,… a。}經(jīng)歷時(shí)間T = N A t，A t是時(shí)間間隔，N是經(jīng)歷的時(shí)間步數(shù)，使得目標(biāo)溫度Shwt= S 2 二…二3。= S1，即實(shí)現(xiàn)均勻溫度場(chǎng)；
[0033] 假設(shè)每個(gè)時(shí)間間隔At內(nèi)系統(tǒng)均處于近似熱平衡，那么：
[0034]
(1)
[003引其中，A(s，e)是nXn矩陣，表示系統(tǒng)的升溫特性，S = [Si S2…sjT是各加熱 點(diǎn)當(dāng)前溫度，e是環(huán)境溫度，[dsi ds2…dsjT是各加熱點(diǎn)在At時(shí)刻內(nèi)平均溫升速率，LQ。 是等效在第n個(gè)傳感器測(cè)點(diǎn)上的散失熱量；由于LQ。非常復(fù)雜，無法直接準(zhǔn)確獲得，如果加 熱點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)布置的很接近，那么A(s，e)接近于一個(gè)對(duì)角陣，對(duì)于加熱點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)分布的比較 遠(yuǎn)的情況，A(s，e)也可W對(duì)角化，原系統(tǒng)可W變換成解禪系統(tǒng)，從而將問題轉(zhuǎn)化為加熱點(diǎn)和 測(cè)點(diǎn)布置很近的情況，該樣解禪W后單個(gè)通道可W表示為
[0036] a; A t = A"(s, e) (dSi A t+LQi(s, e)), i = 1, 2,…n 似
[0037]將每一個(gè)解禪后的加熱點(diǎn)視為一個(gè)智能體（Agent)，設(shè)計(jì)一種每個(gè)加熱點(diǎn)都遵守 的簡(jiǎn)單策略，使得多個(gè)加熱點(diǎn)的測(cè)量溫度趨向一致Si= S,=…=3。= Shwt，那么實(shí)現(xiàn)均 勻溫度場(chǎng)的問題可W看作一個(gè)一致性問題（consensus problem)。通過轉(zhuǎn)化問題，避開了原 本采用傳統(tǒng)控制方法需要對(duì)Aii(s，e)和lA(s，e)準(zhǔn)確建模的問題。
[003引為了實(shí)現(xiàn)該一致性，在每個(gè)時(shí)間間隔At內(nèi)執(zhí)行W下步驟：
[0039] 第一步，W加熱點(diǎn)i當(dāng)前的溫度Si和溫升速率ds i來估計(jì)其達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)間 ATi=(S Target_Si)/ds。i= 1，2,…，n;
[0040] 第二步，將加熱點(diǎn)i達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)間A Ti與其他加熱點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)間 A Tj.，j聲i比較，如果加熱點(diǎn)i達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)間A Ti最長(zhǎng)，那么調(diào)高其加熱功率為a i =a; (1+p)，否則調(diào)低其加熱功率為a;= ai(1-p)，其中0<p << 1, and p< A t ;
[0041] 第S步，如果加熱點(diǎn)i的加熱功率a。。,，那么調(diào)整加熱功率為a;= a。。,