組件熱真空試驗設備控制系統研究

楊曉東

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024)

組件熱真空環境模擬試驗設備主要用于對航天器組件在空間真空和熱環境下進行性能試驗和可靠性試驗。

本文所涉及到的設備主要是針對航天電子接插件、繼電器的試驗而設計。設備尺寸準500 mm×600 mm，真空度為1×10-4Pa，設備空間環境溫度要求在-70 ℃～＋120 ℃間連續可調。

真空環境的建立依靠“旋片泵+ 分子泵”系統，本文不作介紹，主要對真空環境下的溫度控制進行重點討論。

1 技術難點

高真空環境下，空間環境溫度要達到目標值，主要依靠熱輻射的方式，這種方式在高溫段（200℃以上）控溫時容易實現，而低溫段的控溫實現起來相對較難，這是因為物體的輻射能力隨溫度的降低而下降，加熱或制冷源的溫度很難輻射到空間目標。為增大輻射能力，熱真空設備一般采用表面涂黑的熱沉為輻射源，利用黑體輻射的原理來解決低溫輻射的問題。所謂熱沉，在航天工程上指壁板內表面涂黑漆來模擬宇宙冷黑環境的裝置。在本文所參考的設備中，冷媒盤管以螺旋形式繞在熱沉的筒體內壁上，在螺旋管中間纏繞電加熱絲供升溫時使用。

熱沉的使用解決了熱源溫度不能充分輻射至空間的問題。但是，空間環境溫度要達到熱沉溫度有一個延時過程，而這個延遲在制冷時尤為突出，處理不當會影響工藝對升溫和降溫的速率要求。

如何讓空間溫度迅速達到熱沉溫度，且不引起溫度超調，是本文要解決的控制問題。

2 解決方法分析

在控制系統上解決快速升降溫且不引起溫度超調，主要從兩個方向入手，一是提高溫度傳感器的感溫靈敏度，二是提高控制系統的反應速度。

2.1 溫度傳感器設計及布置

為提高溫度傳感器靈敏度，利用薄銅片封裝傳感器探頭，銅片做表面發黑、粗化處理，既增加其熱吸收能力，又可迅速傳熱至傳感器探頭。

熱沉溫度是加熱制冷需要直接控制的溫度，傳感器在內壁布置；空間溫度是試驗需要的溫度，傳感器懸掛在空間。為保證空間環境溫度均勻性達到±5 ℃，熱沉傳感器和空間傳感器均為前、中、后三區配置。

2.2 評估實驗

實驗目的：研究熱沉溫度與空間溫度的關系。

實驗方法：改變控溫點的位置，觀察熱沉溫度與空間溫度的變化情況。

實驗過程：

（1）實驗1：利用空間點作為控溫點，進行升降溫測試。

現象：空間溫度超調，制冷尤為嚴重。

（2）實驗2：利用熱沉內壁的傳感器作為控溫點，進行升降溫測試。

現象：熱沉溫度迅速達到設定值，而空間溫度需要長時間的平衡才能達到，不能完全發揮加熱和制冷設備能力，導致到達目標溫度速率太慢。實驗結論：

（1）經過充分的熱平衡過程，熱沉溫度與空間溫度基本一致，說明利用調節熱沉溫度間接達到調節空間溫度的控制方法是可行的；

（2）溫度傳感器位于熱沉時，空間溫度達到設定溫度的過程非常緩慢，制冷時更為嚴重。

（3）傳感器位于空間時，空間溫度可快速達到設定值，但溫度過沖現象嚴重。

3 控制系統設計

根據實驗結論，可以判定該系統屬于大滯后系統，依據控制理論，應采用串級PID 控制方法解決。

串級PID 控制是一種先進的控制技術，適用于大滯后系統，采用改變控制設定值的方法，能夠盡快的響應過程中的干擾，得到最小的系統過沖。串級PID 控制由主、從兩個控制回路構成，主回路的控制輸出作為從回路的設定值。

鑒于加熱與制冷性能的差異，以下分開討論。

3.1 加熱控制

加熱控制通過調節功率控制器的輸出電壓來調節溫度。控制原理如圖1所示，加熱主回路T反饋信號為“空間溫度”，是空間3 點溫度信號數據處理后的溫度值；“設定溫度”根據工藝要求設定；輸出控制為“設定溫度SV2”，用作從回路G1的給定值。

從回路采用3 區加熱、3 點控溫的方式，G1反饋信號為“熱沉溫度”，是3 區溫度采集處的實際溫度信號；“設定溫度SV2”來自主回路輸出給定；控制輸出連接至功率控制器控制端，確保合適的功率輸出。

其控制過程為：當設備“空間溫度PV1”低于“設定溫度SV1”時，主回路輸出的“設定溫度SV2”將改變，導致SV2與PV2偏差變大，經PID 調節，將加大加熱功率的輸出，使PV2升高，間接導致PV1的升高。

圖1 加熱串級PID 控制原理圖

值得說明的是，主回路的反饋信號（空間溫度PV1）是經過最大化處理后得到的統計結果，由于熱沉表面溫度因位置不同而存在偏差，所以傳感器信號布置在熱沉的三個位置點上（前、中、后），PV2可以是3 點溫度的平均值、最大值、最小值。使用最大值有利于抑制超調，使用最小值有利于提高升降溫速率，平均值是兩種能力的綜合，根據工藝情況選擇。

3.2 制冷控制

制冷是通過控制復疊式制冷機的開關實現的，相對于加熱控制來講，存在特性上的差異，總結如下：

（1）加熱控制為無級調節，而制冷機為通斷控制，制冷時只有2 種狀態，一為全速制冷狀態，二為停止狀態，當輸出溫度（熱沉溫度）達到設定值時，停止制冷；當溫度高于設定值時，重新開啟制冷。因此在開關控制時必須設置閾值，否則會造成冷機頻繁啟停，影響使用壽命。

（2）低溫狀態下熱輻射能力下降，熱沉溫度與空間溫度平衡需要的時間要長于加熱時，導致系統滯后性更嚴重；

（3）工藝對制冷速度有要求，制冷速度不能太慢，制約熱沉溫度的控制。舉例說明：若要從常溫降溫至-20 ℃，如對冷速沒有要求，可以讓熱沉溫度保持在-20 ℃或略低于-20 ℃，經過長時間的熱平衡，熱沉所包圍的空間溫度也會達到-20 ℃。可是，如果要加速冷卻，那么熱沉的溫度必須低于-20 ℃，若以冷機的最低制冷能力，可達到-90 ℃，這樣由于空間與熱沉的溫差較大，可以使空間溫度迅速下降至-20 ℃。問題是，這樣會導致非常大的系統慣性，空間溫度會降到設定值超調允許范圍。

通過以上的差異分析可知，制冷的系統慣性要大于加熱，更容易引起超調現象，為解決這個問題，對串級控制進行了優化設計，引入帶前饋的串級控制。前饋串級控制系統允許使用主PV或主SV或其他用戶定義的變量反饋回來，去直接影響從回路的控制設定值。控制原理如圖2所示。

圖2 帶SV 前饋串級PID 控制的制冷原理框圖

其控制過程為：制冷主回路T 反饋信號為“空間溫度”，是空間3 區溫度信號數據處理后的溫度值；“設定溫度”根據工藝要求設定；輸出控制為“設定溫度SV2”，用作從回路G2的給定值。

從回路采用1 區制冷、1 點控溫的方式，G2反饋信號為“熱沉溫度”，是熱沉3 區溫度信號數據處理后的溫度值；“設定溫度SV2”是來自于主回路輸出與“經驗集合”的疊加；控制輸出加載到冷機控制端，控制冷機的啟停。

在前饋引入的過程中，有一個關鍵的運算步驟，稱之為“經驗集合”，經驗集合通過對系統的能力測試和實驗驗證得來，如表1。表中所設限值為允許超調3 ℃情況下獲得，如果允許超調值變化，可通過上位計算機修正。

表1 制冷系統經驗集合表

實驗證明，引入前饋后，通過對熱沉最低制冷溫度SV2的限制，避免了系統的超調，最大程度的發揮制冷能力，達到快速降溫且超調范圍可控的目的。

3 結束語

串級控制在解決大滯后系統的溫度控制上，效果明顯，而前饋的引入進一步優化了串接控制方法，增加了控制的靈活性。

上述控制方法實際應用于貴州某廠熱真空環境模擬試驗設備的控制，通過4年多運行證明，控制效果良好。可見，所述方法具有推廣價值。

[1]宋伯生.PLC 編程理論·算法及技巧[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]徐成海.真空工程技術[M].北京：化學工業出版社，2006.

[3]2704 User Guide[M].英國：EUROTHERM LIMITED，Part No.HA026502，9_28-9_29