一种空间环境模拟器热沉温度自主控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种空间环境模拟器热沉温度自主控制系统及方法，该系统主要包括控制器、两个PID参数调节器、两个PID控制器、制冷剂阀门控制器、电加热器控制器、通讯单元、温度采集器、温度传感器以及空间模拟器热沉。该方法是将热沉温度与目标温度的温差信号反馈至PID参数调节器和PID控制器，以制冷剂输出动力阀门和电加热器作为执行器作用在热沉上，直至热沉温度达到目标温度。本发明引入PID自主控制，克服了热沉温度热惯性大、响应速度慢的缺点，避免了制冷系统的满负荷运作，降低了装置损耗，延长了设备使用寿命，同时减少了制冷剂的不必要浪费，降低了试验运作成本，具有重要的工程应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星空间环境模拟领域，尤其涉及一种空间环境模拟器热沉温度自主控制的系统及方法。

背景技术

在太空航天器的热辐射全被太空所吸收，没有二次反射，这一环境成为冷黑环境，有时又称热沉。航天器热设计必须考虑冷黑环境的影响，它是航天器热平衡试验、热真空试验的主要热环境参数，考虑不当会造成航天器温度过高和过低，影响航天器的正常工作与寿命。因此，空间环境模拟器的热沉温度控制对热平衡试验、热真空试验能够顺利进行有着重要意义。

现有空间环境模拟器大多采用以制冷剂等制冷提供低温环境，通过电加热器加热对热沉进行复温。但现有空间环境模拟器存在以下缺点：

1)热沉存在热惯性大，响应时间慢的缺点；

2)制冷系统的满负荷运作造成制冷剂不必要浪费，或者需引入制冷剂循环系统从而增加了复杂度和系统成本；

3)电加热器由于没有闭环控制，仅用于对空间环境模拟器热沉进行单一的线性加热(复温)，没有将其用于空间模拟器热沉温度的精确控制。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种空间环境模拟器热沉温度自主控制系统及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种空间环境模拟器热沉温度自主控制的系统，包括：

控制器、PID参数调节器1、PID参数调节器2、PID控制器1、PID控制器2、制冷剂阀门控制器、电加热器控制器、制冷剂输入动力阀门、电加热器、热沉、温度传感器、温度采集器、通讯单元；控制器与PID参数调节器1、PID参数调节器2和PID控制器1、PID控制器2分别相连，PID参数调节器1、PID控制器1、制冷剂阀门控制器、制冷剂输入动力阀门顺次相连，PID参数调节器2、PID控制器2、电加热器控制器、电加热器、热沉、温度传感器、温度采集器、通讯单元、控制器顺次相连。

一种空间环境模拟器热沉温度自主控制的方法，包括如下步骤：

首先设定热沉目标温度，通过温度采集器采集温度传感器检测的空间环境模拟器热沉温度，通过通讯单元传到控制器；

控制器判断是否达到目标温度，若已经达到目标温度，则结束控制；若还未达到目标温度，则计算目标温度与热沉温度的差值ΔT；

控制器将温差信息发送至PID参数调节器1、PID参数调节器2、PID控制器1、PID控制器2，由PID参数调节器1、PID参数调节器2分别整定PID控制器1、PID控制器2的PID参数；

由PID控制器1输出制冷剂阀门控制信号至制冷剂阀门控制器调节阀门开度，由PID控制器2输出电加热器控制信号至电加热器控制器调节电加热器输出功率，两者分别以冷量和热量形式作用在空间环境模拟器热沉上，使空间环境模拟器热沉温度趋向于目标温度。

本发明是将空间环境模拟器热沉温度与目标温度的温差信号作为反馈信号，反馈至空间环境模拟器热沉温度控制系统，直至热沉温度达到目标温度。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1)本发明提供一种空间环境模拟器热沉温度自主控制的方法；

2)本发明引入的PID控制策略提高了空间模拟器热沉温度的温控速率及精度，克服了制冷剂制冷带来的热惯性大，响应时间慢的缺点；

3)本发明提供的热沉温度自主控制方法避免了制冷系统的满负荷运作问题，降低了装置损耗，延长了设备使用寿命，同时减少了制冷剂的不必要浪费，减低试验运作成本。

4)本发明对电加热器进行闭环控制，不只是对空间环境模拟器热沉进行单一的线性加热，使空间模拟器热沉温度得到的精确控制。

附图说明

图1是空间环境模拟器热沉温度自主控制的系统结构示意图；

图2是空间环境模拟器热沉温度自主控制的方法流程示意图；

图3是空间环境模拟器热沉温度自主控制的方法信号传递框图。

具体实施方式

如图1所示，空间环境模拟器热沉温度自主控制的系统，包括：控制器1、PID参数调节器1 2、PID参数调节器2 3、PID控制器1 4、PID控制器2 5、制冷剂阀门控制器6、电加热器控制器7、制冷剂输入动力阀门8、电加热器9、热沉10、温度传感器11、温度采集器12、通讯单元13；控制器1与PID参数调节器1 2、PID参数调节器2 3和PID控制器1 4、PID控制器2 5两两相连，PID参数调节器1 2、PID控制器1 4、制冷剂阀门控制器6、制冷剂输入动力阀门8顺次相连，PID参数调节器2 3、PID控制器2 5、电加热器控制器7、电加热器9、热沉10、温度传感器11、温度采集器12、通讯单元13、控制器1顺次相连。

空间环境模拟器热沉温度自主控制的方法是：通过温度采集器12采集温度传感器11温度数据，得到空间环境模拟器热沉温度，将采集到的温度数据通过通讯单元13传给上位机，由上位机发送温度数据到控制器1。控制器1再将温差信息发送至PID参数调节器1 2、PID参数调节器2 3、PID控制器1 4、PID控制器2 5，由PID参数调节器1 2、PID参数调节器2 3分别整定PID控制器1 4、PID控制器2 5的PID参数。之后PID控制器1 4、PID控制器2 5分别输出相应的制冷剂阀门控制信号和电加热器控制信号，并将其对应参数传递给制冷剂阀门控制器6和电加热器控制器7。制冷剂阀门控制器6调节制冷剂输入动力阀门8至相应开度、电加热器控制器7调节电加热器9至相应功率，两者以热量形式作用在空间环境模拟器热沉10上，使空间环境模拟器热沉温度趋向于目标温度。最后空间环境模拟器热沉温度与目标温度的温差信号作为反馈信号，反馈至空间环境模拟器热沉温度控制系统，直至热沉温度达到目标温度。以此完成了空间环境模拟器热沉温度自主控制的目的。

图2是本发明空间环境模拟器热沉温度自主控制方法的流程图。

首先设定热沉目标温度(1)，然后采集热沉温度T(2)，然后判断是否达到目标温度(3)，若已经达到目标温度，则结束控制(14)；若还未达到目标温度，则计算目标温度与热沉温度的差值ΔT(4)。根据ΔT分别整定PID控制器1的参数(5)、PID控制器2的参数(6)。在完成PID参数整定后，将ΔT输入PID控制器1(7)、输入PID控制器2(8)。再由PID控制器1调节阀门开度(9)输出相应的制冷剂流量(11)和PID控制器2调节电加热器输出功率(10)输出相应热量(12)，两者共同作用在热沉上，使热沉温度变化(13)，然后再次采集热沉温度T(2)，直至热沉温度达到目标温度。

在图1的系统框图中，温度采集器12通过温度温度传感器11,将温度信号转换为电压信号,并将此信号传递给控制器1，此过程我们用转换系数k_T-U表示。控制器1通过计算目标温度与热沉温度作差得到温差信息，温差信号由PID控制器1>U-P热和功率温度转换k_P-T来表示；同理，温差信号由PID控制器2>U-P冷和功率温度转换k_P-T来表示。

由此，我们可以将上述的热沉温度自主控制方法通过信号传递的方式来分析。

图3是本发明空间环境模拟器热沉温度自主控制方法的信号传递框图。

将目标温度T_target与热沉温度T_out作差得到温度误差T_e，将温度误差信号T_e通过k_T-U转换系数转换为电压信号，传递给PID参数整定器，用来整定PID1、PID2的参数。与此同时，在热量回路上，经过转换后的k_T-U转换后的T_e通过PID1、电压功率转换k_U-P热、功率温度转换k_P-T反馈至输入信号T_in；在热量回路上，经过转换后的k_T-U转换后的T_e通过PID1、电压功率转换k_U-P冷、功率温度转换k_P-T反馈至输入信号T_in。本系统温度误差T_e分别通过热量回路与冷量回路反馈调整，使热沉温度T_out趋向于目标温度T_target，最终达到消除系统温度误差的目的，使热沉温度与目标温度相一致。

对所公开实例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对此实例的多种修改对本领域是的专业技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的，仅为本发明的一种空间环境模拟器热沉温度自主控制的系统实例，但其中PID参数调节器形式不仅限于常规只限于k_P、k_I、k_D系数的简单整定策略，如模糊控制、神经网络控制等，其他任何以PID工作原理的控制策略，都应落入本发明相应的权利要求保护范围内。因此，本发明将不会被限制与本文所示的这一实例，而是要符合与本文所公开的原理一致的最宽的范围。