低溫黑體自動(dòng)控溫新技術(shù)

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1、航天器環(huán)境工程第28卷第4期362SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2011年8月低溫黑體自動(dòng)控溫新技術(shù)李娜，許杰，楊林華(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094)摘要：工作在真空低溫環(huán)境下的黑體控溫系統(tǒng)是一種非線性、大滯后、數(shù)學(xué)模型很難建立的系統(tǒng)。文章通過(guò)分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成和原理，選擇了模糊控制和智能PID控制相結(jié)合的算法。通過(guò)分析多次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立并完善了模糊控制規(guī)則表?；谠撍惴ǖ目販剀浖?，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)控制，已服務(wù)于某型號(hào)輻射定標(biāo)試驗(yàn)。文章最后給出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了控制算法的合理性，該算法加快了系統(tǒng)升溫速度，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性

2、，取得了良好的控溫效果。關(guān)鍵詞；低溫黑體；溫度控制；模糊控制；智能PID控制中圖分類號(hào)：TP273+．4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1673-1379(2011)04-0362-05DoI：10．3969a．issn．1673．1379．2011．04．0110引言工作在真空低溫環(huán)境下的連續(xù)調(diào)溫腔型黑體，在240～360K溫度范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，是衛(wèi)星遙感器紅外輻射定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)輻射源。在輻射定標(biāo)試驗(yàn)中，黑體控溫軟件需要對(duì)黑體腔和保護(hù)腔進(jìn)行測(cè)溫和控溫，按照穩(wěn)定性要求將黑體穩(wěn)定在不同溫度下，通過(guò)黑體溫度的連續(xù)變化，模擬地球不同自然目標(biāo)溫區(qū)的輻射【l】。溫度控制系統(tǒng)大多采用PID方法

3、進(jìn)行控制，復(fù)雜的控制系統(tǒng)常采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等智能控制技術(shù)。然而對(duì)于真空低溫環(huán)境下的控溫技術(shù)，目前還以PID控制為主，該算法對(duì)于非線性、大滯后、難以建立精確控制數(shù)學(xué)模型的低溫黑體并不適合。為了加快系統(tǒng)升溫速度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，本文嘗試采用模糊控制和智能PID控制相結(jié)合的方法對(duì)黑體進(jìn)行控溫。l黑體結(jié)構(gòu)黑體幾何腔采用帶錐口的圓柱內(nèi)錐腔結(jié)構(gòu)【2】，如圖1所示。黑體腔包在溫控層(保護(hù)腔)里面，二者之間是真空的，靠溫控層的加熱和冷卻，使黑體腔達(dá)到并且穩(wěn)定在某一控溫點(diǎn)【3】。為了實(shí)現(xiàn)240～360K的控溫范圍，本文采用電加熱的輻射式溫控等溫黑體的技術(shù)方案。黑體腔

4、和保護(hù)腔具有同樣的傳熱結(jié)構(gòu)，壁上開(kāi)螺旋槽，外面套上加熱套管，兩端面焊接，形成冷卻流體管路，并在加熱套管上安裝加熱片。溫度傳感器選用鉑電阻溫度計(jì)，放在溫度平衡最緩慢的內(nèi)錐底部。＼＼。、／／．夕圖l黑體結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1Thestructureofblackbody2黑體控溫技術(shù)黑體控溫不僅要滿足快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)的要求，還要滿足高精度的穩(wěn)定性要求；而升溫速度和穩(wěn)定性又是一組相對(duì)矛盾的指標(biāo)，因此需要根據(jù)試驗(yàn)的具體要求選擇合適的控制算法。此外，黑體工作在真空低溫環(huán)境下，是一個(gè)非線性系統(tǒng)，且具有較大的延遲性，因此很難建立精確的數(shù)學(xué)控制模型，要選擇對(duì)數(shù)學(xué)模型依賴較少的控制算法。2．

5、1控溫系統(tǒng)組成黑體控溫系統(tǒng)主要由傳感器、加熱器、數(shù)字多用表、程控電源、網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)及測(cè)控計(jì)算機(jī)等組成，分別對(duì)黑體腔和保護(hù)腔進(jìn)行溫度控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。收稿日期：2010．12．01：修回日期：2011．05．09基金項(xiàng)目：衛(wèi)星型號(hào)支持項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介：李娜(1980一)，女，從事空間環(huán)境模擬器的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail：lixiaona@126．COm．。第4期李娜等：低溫黑體自動(dòng)控溫新技術(shù)363圖2黑體控溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．2Theblackbodytemperaturecontrolsystem系統(tǒng)采用控溫軟件控制數(shù)字多用表對(duì)黑體溫度進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)與預(yù)定值的比較，根

6、據(jù)控制算法控制兩臺(tái)程控直流電源的輸出，從而調(diào)節(jié)加熱功率，使黑體腔達(dá)到目標(biāo)溫度。因此，控溫軟件是系統(tǒng)的核心，而控溫軟件的核心則是對(duì)被控對(duì)象所采用的控制算法。2．2控溫原理黑體控溫系統(tǒng)采用閉環(huán)溫度控制，它的被控對(duì)象分別為黑體腔和保護(hù)腔，因此需要采取2套措施分別進(jìn)行控制，其控溫原理如圖3所示。圖3黑體控溫原理Fig．3Theprincipleofblackbodytemperaturecontrol升溫過(guò)程開(kāi)始階段，黑體腔溫度與目標(biāo)溫度相差較大。為了提高黑體腔升溫速度，用電源1和電源2分別依控制算法1、2對(duì)黑體腔和保護(hù)腔加熱。當(dāng)黑體腔溫度接近某一控溫點(diǎn)時(shí)，溫控系統(tǒng)由升溫加熱

7、進(jìn)入維持加熱。此時(shí)由于黑體腔和保護(hù)腔之間為高真空環(huán)境，只存在輻射熱交換，且黑體腔的外表面和保護(hù)腔的內(nèi)表面均噴涂高發(fā)射率黑漆，這就保證了兩個(gè)腔體同時(shí)升溫和熱補(bǔ)償；因此關(guān)閉電源l，只需用電源2依控制算法2通過(guò)對(duì)保護(hù)腔的恒溫控制即可實(shí)現(xiàn)黑體腔溫度的穩(wěn)定。2．3控制算法設(shè)計(jì)本文采用了2種控制算法，即對(duì)黑體輻射腔采用模糊控制；對(duì)保護(hù)腔采用模糊控制和智能PID控制相結(jié)合的方法。這2種算法對(duì)改善具有純滯后和非線性對(duì)象的控制性能具有積極的作用。2．3．1模糊控制模糊控制是一種典型的智能控制方法，它不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，特別適合于被控對(duì)像受到的干擾因素多、對(duì)