寬溫區氣氮調溫系統控制技術研究

董德勝，劉海靜，孫成愷，祁松松，李燦倫

（上海衛星裝備研究所，上海 200240）

前言

為了驗證航天器在特殊工作環境下的有效性和可靠性，航天器須在熱真空試驗設備中進行真空高低溫試驗，試驗通常具備航天器試驗溫度場的可控范圍大、均勻性要求高的特點[1]。傳統的控溫方式主要分為基于液氮+加熱籠冷熱對抗精確控溫和基于導熱油的油浴控溫兩種方式。基于液氮+加熱籠冷熱對抗控溫主要將液氮或制冷劑通入熱沉制造冷背景，紅外加熱籠加熱進行冷熱對抗實現精確調溫的，這種調溫方面液氮消耗量大、產品均勻性差，針對這種缺陷目前常采用分區獨立控溫的形式消除，但又造成控制復雜、調溫適應性差。基于導熱油的油浴控溫，主要通過控溫一定溫度的導熱油進入熱沉，通過控制熱沉的溫度實現產品控溫，這種方式，由于導熱油的特性，溫控可控范圍難以達到試驗要求[2]。因此，目前大多數國家已逐步改造設備，采用通過控制通入熱沉的氮氣溫度調節熱沉溫度達到航天器溫控的方案[3]。

寬溫區氣氮調溫系統是采用氣氮作為換熱介質的控溫裝置，通過控制氣氮的溫度實現目標溫度的控制。但由于系統具有氮氣比熱小造成換熱能力差且存在氣液兩相流造成壓力波動劇烈的特性，精確控溫技術實現難度較大，目前國內只有少數廠家成功研制。

1 氣氮調溫控制技術

1.1 氣氮調溫控制原理

氣氮控溫系統主要由液氮供應系統（液氮罐、汽化器等）、風機、水冷卻器、換熱器、氣氮流量控制閥、液氮流量控制閥、穩壓閥、加熱器、氣體均勻器、各類閥門、各類溫度及壓力傳感器組成，實現熱沉溫度在-120℃~+120℃范圍連續可調。氣氮控溫系統原體如圖1所示。

循環氣氮在風機的推動作用下，在管路中不斷循環，并通過氣液混合器及加熱器作為控溫核心裝置，調節循環氣氮的溫度，將一定壓力及溫度的氮氣通入熱沉，進而實現熱沉溫度連續可調。

氣氮控溫裝置控溫流程分為高溫工況控溫流程及低溫工況控溫流程。

高溫工況，系統關閉V2液氮流量控制閥，循環氮氣按照圖2所示流程進行自循環，系統通過調節加熱器的加熱功率及氮氣進入熱沉的壓力實現對熱沉和產品溫度的精確控制。高溫工況系統流程圖如圖2 。

圖2 高溫控制系統原理圖

低溫工況，系統關閉加熱器輸出，循環氮氣按照圖3所示流程進行自循環，系統通過V2液氮流量調節閥的開度及氮氣進入熱沉的壓力實現對熱沉和產品溫度的精確控制。低溫工況系統流程圖如圖3。

圖3 低溫控制系統原理圖

1.2 基于雙作用PID控制的氮氣壓力控制技術研究

氣氮調溫系統的風機入口氣氮壓力（圖1參數P1）是系統關鍵的控制參數，熱沉進口氣氮壓力的波動直接影響著熱沉溫度的波動。

低溫工況下，隨著液氮不斷進入系統，系統壓力不斷升高，為防止系統壓力上升過高，必須通過圖1中V10排空閥進行泄壓放氣；高溫工況下，系統存在一定的排氣，系統壓力不斷下降，為防止系統壓力下降過低，必須通過圖1中V3閥進行補氣操作。

圖1 氣氮控溫系統原理圖

系統采用帶正反作用互斥輸出雙PID控制策略。正反作用指的是V3、V10兩個執行機構具備正反作用。V3閥為增壓閥，開度增加系統壓力升高為正作用；V10閥為泄壓閥，開度增加系統壓力下降為反作用。系統通過不斷增壓、泄壓操作達到控制氣氮壓力的目的，為了防止系統增壓/泄壓時，反作用的PID也存在較大輸出，造成氮氣消耗量大的問題，正作用的PID回路與反作用PID回路互斥輸出，形成氣氮壓力的最優控制。系統控制邏輯圖如圖4。

圖4 基于正反雙作用互斥型PID控制框圖

1.3 熱沉溫度控制技術研究

1）串級PID控制算法

串級控制系統是改善控制質量的有效方法之一，在過程控制中得到了廣泛的應用。所謂串級控制，就是采用兩個控制器串聯工作，外環控制器的輸出作為內環控制器的設定值，由內環控制器的輸出去操縱控制執行機構，從而對外環被控量具有更好的控制效果。這樣的控制系統被稱為串級系統。PID串級控制就是串級控制中的兩個控制器均為PID控制器。圖5為PID串級控制的系統結構。

圖5 PID串級控制原理結構

串級PID控制系統在結構上僅僅比簡單控制系統多了一個內環回路，可是實踐證明，對于大滯后及系統干擾因素較多的控制場合，串級控制系統的控制質量是簡單控制系統無法比擬的。就主回路看是一個定值控制系統，但從回路可看成是一個隨動控制回路。主回路控制器按負荷和操作條件的變化不斷糾正從回路控制器的設定值，使從回路控制器的設定值適應負荷和操作條件的變化。這種通過提前對主回路控制量進行規約，對系統干擾進行預消除的策略目前廣泛應用在一些大時滯或擾動變化激烈的控制對象中[4]。

2）基于串級PID控制的熱沉溫度控制技術

系統將一定壓力、溫度的氮氣作為載熱體通入熱沉，通過不斷調節氮氣的溫度對熱沉溫度進行控制。由于采用氣體加熱的方式，氣體比熱容較小，控制對象模型呈現大慣性、大延遲的特性，僅依靠單純的PID控制結構不能有效的解決控溫問題，易造成系統過沖大且穩態振蕩的結果。另一方面，低溫狀態下，通入的液氮存在氣液兩項的狀態，且氣液所占比例存在非確定性，循環回路的氣氮壓力擾動也較劇烈，對于此控制對象特性，熱沉溫度控制采用串級PID溫度控制策略。熱沉溫度控制框圖如圖6。

圖6 熱沉高精度閉環控溫控制框圖

主回路為熱沉溫度控制，副回路為氣氮溫度控制。

主回路的最大輸出（即副回路的氣氮溫度設定值）Sv2(t) 為熱沉溫度設定值加上ΔT，根據反饋差值實施調節氣氮溫度的設定值，調節范圍為通過這種對氮氣溫度進行控制的方式可避免單純的根據熱沉進行控制加熱時造成氮氣溫度過高，且長時間回不來從而造成產品溫度過沖大的問題。

副回路氣氮溫度控制模式分為氮氣低溫過程和氮氣高溫過程控制模式。

當熱沉設定溫度低于0 ℃，副回路氮氣控溫模式自動切換為低溫過程控制模式，關閉加熱器輸出，采用反作用PID控制算法。通過調節液氮流量控制閥的開度，將液氮供應系統提供的液氮與循環的氣氮在氣體混合器中進行混合，達到氣氮精確控溫的目的。

當熱沉設定溫度大于0 ℃，副回路氮氣控溫模式自動切換為高溫過程控制模式，關閉V2液氮流量閥，采用正作用PID控制算法，通過調節加熱器的加熱功率從而控制氣氮的溫度。

同時，為了避免系統穩態振蕩，系統采用分區域PID參數自動切換的控制策略。真空環境下，單一的PID參數并不能對全溫區的溫度控制都適用。根據調試經驗，系統根據溫度區間，將溫度區間分為低溫區、中溫區、高溫區，根據溫度的設定值及當前時刻的實際值進行智能辨識，從而選擇合適的PID參數達到精確控溫的效果[5]。

2 調試及使用效果

2.1 系統搭建

系統采用KM1.5試驗設備作為控制對象，熱沉尺寸φ 1 200 mm×L 2 000 mm，熱沉結構采用脹板式熱沉。為了提高系統均勻性，熱沉采取分區設計，進出液采用下進上出的形式，將熱沉分為大門、筒體、封頭三個大區，其中筒體延軸向再均分三個區。

同時，為了提高氮氣進入熱沉的流量，采用循環風機進行增壓，增壓后，氣氮進氣體積流量170 m3/h，進氣壓力100 kPa。同時由于低溫工況時，存在壓力波動擾動的情況，循環風機采用變頻控制功能，當系統壓力急劇升高且排氣閥門全開情況下仍不能有效降壓力降低至合理范圍時，通過風機降速輸出可有效降低系統擾動對控制的影響[6,7]。

系統搭建完成后實物圖如圖7 。

圖7 氣氮調溫系統搭建實物圖

2.2 系統調試

系統調式工況分為兩種典型工況：低溫控溫工況、高溫控溫工況。論文分別在-120 ℃，-80 ℃，120 ℃三個典型工況點進行驗證測試，并進行了連續高低溫循環測試。

測試情況如下：

1）低溫調溫

低溫控溫通過調節液氮流量控制閥的開度，將液氮供應系統提供的液氮與循環的氣氮在氣體均勻器中進行混合，達到氣氮精確控溫的目的。

系統分別在-80 ℃、-120 ℃進行了調試，控溫精度達到±1 ℃，熱沉整體均勻性達到±3 ℃，熱沉降溫速度達到3 ℃/min。

試驗數據曲線圖如圖8。

2）高溫調溫

高溫調溫通過調節加熱器的加熱功率從而控制氣氮的溫度，使具有設定溫度的氣氮通入到熱沉中，從而實現熱沉的高溫控制，而經過熱沉換熱后的熱氣氮進入換熱器，與循環氣氮換熱后，進入循環系統，形成一個閉循環。

系統在高溫120 ℃進行了調試，控溫精度達到±1 ℃，熱沉整體均勻性達到±3 ℃，熱沉升溫速度達到1 ℃/min。

試驗數據曲線圖如圖9。

圖9 高溫工況溫度控制曲線圖

3）高低溫循環工況

為了驗證系統長時間運行以及工況切換過程中的穩定性，系統進行了長時間寬范圍的高低溫循環試驗。

工況如下：高溫工況120 ℃，低溫工況-120 ℃，高低溫循環3次。

部分測試數據如圖10 。

圖10 高低溫循環工況溫度控制曲線圖

從圖8、9、10可以看出，系統運行平穩，采用串級PID控制算法能夠較好的抑制低溫工況壓力波動對系統的影響，同時較高的控制精度也驗證采用此算法的合理性和有效性。

圖8 低溫工況溫度控制曲線圖

同時，系統將氣氮調溫系統與紅外加熱籠系統和油浴加熱制冷一體機組相比，從表1所示：氣氮調溫系統相比其他系統具備可控范圍大、均勻性好的優勢。

表1 典型控溫系統指標對比表

3 總結

本文針對航天熱試驗過程中寬溫區氣氮控溫技術進行了研究，并對氣液兩相流過程中的壓力控制以及基于氣體加熱的高精度熱沉溫控技術進行詳細描述，并最終對控制算法進行調試驗證。調試結果表明，互斥輸出雙PID控制策略對于氣液兩項狀態的壓力控制具備好高的實際應用價值，同時，采用主從PID控制策略可有效解決氣體載熱小特性對控制系統造成的大時滯難題。

4 展望

目前該系統在KM1.5設備上進行技術的驗證與調試，并逐步應用到大型真空環模試驗設備中。整個設計調試過程順利，總體技術指標滿足當初設計要求，但也明顯的看到，低溫工況時，補入的液氮的不確定性給系統造成一定的干擾，易造成循環氮氣壓力的波動；同時，采用的循環風機不能在低溫工況下使用，且運行壓力低，造成整個系統體積大，均勻性不夠好的窘況。后續，將重點對液氮補液及循環風機選型上進行重點研究，完善氣氮調溫系統，并盡快應用到實際項目工程中。