组件热真空试验设备控制系统研究

时间：2024-09-03

杨晓东

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024)

组件热真空环境模拟试验设备主要用于对航天器组件在空间真空和热环境下进行性能试验和可靠性试验。

本文所涉及到的设备主要是针对航天电子接插件、继电器的试验而设计。设备尺寸准500 mm×600 mm，真空度为1×10-4Pa，设备空间环境温度要求在-70 ℃～＋120 ℃间连续可调。

真空环境的建立依靠“旋片泵+ 分子泵”系统，本文不作介绍，主要对真空环境下的温度控制进行重点讨论。

1 技术难点

高真空环境下，空间环境温度要达到目标值，主要依靠热辐射的方式，这种方式在高温段（200℃以上）控温时容易实现，而低温段的控温实现起来相对较难，这是因为物体的辐射能力随温度的降低而下降，加热或制冷源的温度很难辐射到空间目标。为增大辐射能力，热真空设备一般采用表面涂黑的热沉为辐射源，利用黑体辐射的原理来解决低温辐射的问题。所谓热沉，在航天工程上指壁板内表面涂黑漆来模拟宇宙冷黑环境的装置。在本文所参考的设备中，冷媒盘管以螺旋形式绕在热沉的筒体内壁上，在螺旋管中间缠绕电加热丝供升温时使用。

热沉的使用解决了热源温度不能充分辐射至空间的问题。但是，空间环境温度要达到热沉温度有一个延时过程，而这个延迟在制冷时尤为突出，处理不当会影响工艺对升温和降温的速率要求。

如何让空间温度迅速达到热沉温度，且不引起温度超调，是本文要解决的控制问题。

2 解决方法分析

在控制系统上解决快速升降温且不引起温度超调，主要从两个方向入手，一是提高温度传感器的感温灵敏度，二是提高控制系统的反应速度。

2.1 温度传感器设计及布置

为提高温度传感器灵敏度，利用薄铜片封装传感器探头，铜片做表面发黑、粗化处理，既增加其热吸收能力，又可迅速传热至传感器探头。

热沉温度是加热制冷需要直接控制的温度，传感器在内壁布置；空间温度是试验需要的温度，传感器悬挂在空间。为保证空间环境温度均匀性达到±5 ℃，热沉传感器和空间传感器均为前、中、后三区配置。

2.2 评估实验

实验目的：研究热沉温度与空间温度的关系。

实验方法：改变控温点的位置，观察热沉温度与空间温度的变化情况。

实验过程：

（1）实验1：利用空间点作为控温点，进行升降温测试。

现象：空间温度超调，制冷尤为严重。

（2）实验2：利用热沉内壁的传感器作为控温点，进行升降温测试。

现象：热沉温度迅速达到设定值，而空间温度需要长时间的平衡才能达到，不能完全发挥加热和制冷设备能力，导致到达目标温度速率太慢。实验结论：

（1）经过充分的热平衡过程，热沉温度与空间温度基本一致，说明利用调节热沉温度间接达到调节空间温度的控制方法是可行的；

（2）温度传感器位于热沉时，空间温度达到设定温度的过程非常缓慢，制冷时更为严重。

（3）传感器位于空间时，空间温度可快速达到设定值，但温度过冲现象严重。

3 控制系统设计

根据实验结论，可以判定该系统属于大滞后系统，依据控制理论，应采用串级PID 控制方法解决。

串级PID 控制是一种先进的控制技术，适用于大滞后系统，采用改变控制设定值的方法，能够尽快的响应过程中的干扰，得到最小的系统过冲。串级PID 控制由主、从两个控制回路构成，主回路的控制输出作为从回路的设定值。

鉴于加热与制冷性能的差异，以下分开讨论。

3.1 加热控制

加热控制通过调节功率控制器的输出电压来调节温度。控制原理如图1所示，加热主回路T反馈信号为“空间温度”，是空间3 点温度信号数据处理后的温度值；“设定温度”根据工艺要求设定；输出控制为“设定温度SV2”，用作从回路G1的给定值。

从回路采用3 区加热、3 点控温的方式，G1反馈信号为“热沉温度”，是3 区温度采集处的实际温度信号；“设定温度SV2”来自主回路输出给定；控制输出连接至功率控制器控制端，确保合适的功率输出。

其控制过程为：当设备“空间温度PV1”低于“设定温度SV1”时，主回路输出的“设定温度SV2”将改变，导致SV2与PV2偏差变大，经PID 调节，将加大加热功率的输出，使PV2升高，间接导致PV1的升高。

图1 加热串级PID 控制原理图

值得说明的是，主回路的反馈信号（空间温度PV1）是经过最大化处理后得到的统计结果，由于热沉表面温度因位置不同而存在偏差，所以传感器信号布置在热沉的三个位置点上（前、中、后），PV2可以是3 点温度的平均值、最大值、最小值。使用最大值有利于抑制超调，使用最小值有利于提高升降温速率，平均值是两种能力的综合，根据工艺情况选择。

3.2 制冷控制

制冷是通过控制复叠式制冷机的开关实现的，相对于加热控制来讲，存在特性上的差异，总结如下：

（1）加热控制为无级调节，而制冷机为通断控制，制冷时只有2 种状态，一为全速制冷状态，二为停止状态，当输出温度（热沉温度）达到设定值时，停止制冷；当温度高于设定值时，重新开启制冷。因此在开关控制时必须设置阈值，否则会造成冷机频繁启停，影响使用寿命。

（2）低温状态下热辐射能力下降，热沉温度与空间温度平衡需要的时间要长于加热时，导致系统滞后性更严重；

（3）工艺对制冷速度有要求，制冷速度不能太慢，制约热沉温度的控制。举例说明：若要从常温降温至-20 ℃，如对冷速没有要求，可以让热沉温度保持在-20 ℃或略低于-20 ℃，经过长时间的热平衡，热沉所包围的空间温度也会达到-20 ℃。可是，如果要加速冷却，那么热沉的温度必须低于-20 ℃，若以冷机的最低制冷能力，可达到-90 ℃，这样由于空间与热沉的温差较大，可以使空间温度迅速下降至-20 ℃。问题是，这样会导致非常大的系统惯性，空间温度会降到设定值超调允许范围。

通过以上的差异分析可知，制冷的系统惯性要大于加热，更容易引起超调现象，为解决这个问题，对串级控制进行了优化设计，引入带前馈的串级控制。前馈串级控制系统允许使用主PV或主SV或其他用户定义的变量反馈回来，去直接影响从回路的控制设定值。控制原理如图2所示。

图2 带SV 前馈串级PID 控制的制冷原理框图

其控制过程为：制冷主回路T 反馈信号为“空间温度”，是空间3 区温度信号数据处理后的温度值；“设定温度”根据工艺要求设定；输出控制为“设定温度SV2”，用作从回路G2的给定值。

从回路采用1 区制冷、1 点控温的方式，G2反馈信号为“热沉温度”，是热沉3 区温度信号数据处理后的温度值；“设定温度SV2”是来自于主回路输出与“经验集合”的叠加；控制输出加载到冷机控制端，控制冷机的启停。

在前馈引入的过程中，有一个关键的运算步骤，称之为“经验集合”，经验集合通过对系统的能力测试和实验验证得来，如表1。表中所设限值为允许超调3 ℃情况下获得，如果允许超调值变化，可通过上位计算机修正。

表1 制冷系统经验集合表

实验证明，引入前馈后，通过对热沉最低制冷温度SV2的限制，避免了系统的超调，最大程度的发挥制冷能力，达到快速降温且超调范围可控的目的。