航天器热真空试验温度控制方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及航天器地面热试验领域，公开了一种航天器热真空试验温度控制方法及系统。该方法包括步骤：使用两个测量区域不同的测温仪同时对准热源加热中心位置，测得两个不同的平均温度T1、T2；将小区域的平均温度T1作为增量式PID控制器的输入量进行PID控制；将两个平均温度的比值T1/T2作为额外的反馈量与PID控制结果线性叠加得到热源功率的变化值；根据所述变化值调整热试验热源的输出功率。本发明专利技术可以保证航天器热真空试验温度稳定且超调量可控，增强了航天器热真空试验温度控制系统的鲁棒性和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
航天器热真空试验温度控制方法及系统
本专利技术涉及航天器地面热试验领域，具体涉及一种航天器热真空试验温度控制方法及系统。
技术介绍
航天器热真空试验是在规定的真空与热循环条件下验证航天器各种性能与功能的试验。它是航天器正样研制阶段多项环境模拟试验中的重要试验之一。试验的主要目的是使航天器在真空与热循环条件下暴露航天器的材料和制造工艺缺陷、排除早期失效，从而大大提高了航天器在轨运行的可靠性。天地往返飞行器再入时由于气动加热，表面温度极高。高温风洞试验只能考核表面热防护材料的性能，不能模拟再入期间舱内载荷所处的热环境。必须利用红外或者激光加热方法模拟舱体表面高温边界的方法，实现在真空或低气压环境下能够将指定部件加热到规定的温度。为了保证天地往返飞行器防热结构设计的完整性和可靠性，需要大量开展部件级、系统级的结构热试验项目。在航天器热真空试验中，除了要模拟真空条件外，还要对航天器上组件的温度进行控制，当控制方法不当或者控制参数选取不合理时，会导致航天器过试验和欠试验。过试验可能使航天器上某些仪器设备损坏或缩短工作寿命，欠试验则可使航天器上某些仪器设备得不到应有的考验。现有技术中，试验时的温度控制通常根据现场测量温度的变化曲线，按照经验或固定模式进行细微调整，由于试验环境较为复杂，调整幅度很难匹配实际需求，基本都会反复出现超调。而当温度曲线出现超调时，由于热试验的真空环境散热极为缓慢的特点，超调很难减小，极易导致过试验。
技术实现思路
针对现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何实现稳定且超调量可控的温度控制。为解决该问题，一方面本专利技术提供了一种航天器热真空试验温度控制方法，包括步骤：使用两个测量范围不同的测温仪，分别为第一测温仪和第二测温仪，同时对热源的加热中心位置进行测量；其中所述第一测温仪在被测部件上监测第一测量区域，得到第一平均温度T1；所述第二测温仪在被测部件上监测第二测量区域，得到第二平均温度T2；第一测量区域的范围小于第二测量区域；并且所述第一测量区域、所述第二测量区域的中心位置与所述加热中心位置重合；在每个采样周期内，根据第一平均温度T1，得到第一平均温度T1与目标温度的差值作为增量式PID控制器的输入量；同时将两个平均温度的比值T1/T2作为额外的反馈量，将该反馈量与所述增量式PID控制器的结果线性叠加得到热源功率的变化值；根据所述变化值调整热源的输出功率后，所述热源继续对被测部件进行加热，随后在下一个采样周期内再次监测温度并重复上述步骤，循环直到试验结束。优选地，所述增量式PID控制器中使用比例系数Kp、积分时间系数Ki和微分时间系数Kd对所述输入量进行增量式PID控制，同时使用抑制因子α对所述额外的反馈量进行调整。优选地，所述方法中，所述热源功率的变化值Δu有：Δu＝Kp*[error(k)-error(k-1)]+Ki*error(k)+Kd*[error(k)–2*error(k-1)+error(k-2)]–α*[T1(k)/T2(k)-T1(k-1)/T2(k-1)]；其中，k代表当前采样周期的时刻，k-1代表上一采样周期的时刻，比例系数Kp、积分时间系数Ki、微分时间系统Kd、抑制因子α，T1(x)为x时刻在第一测量区域测得的平均温度，T2(x)为x时刻在第二测量区域内测得的平均温度，error(x)为x时刻T1(x)与目标温度的差值，所述目标温度在试验初始阶段设定。优选地，所述采样周期的范围大于等于10毫秒且小于等于10秒。优选地，所述抑制因子α的取值范围为大于等于0且小于等于1000。另一方面，本专利技术还同时提供航天器热真空试验温度控制系统，包括：热源、第一测温仪、第二测温仪以及温度控制设备；其中，所述热源通过热辐射方式对被测部件进行加热；所述第一测温仪在被测部件上监测第一测量区域，所述第二测温仪在被测部件上监测第二测量区域，第一测量区域的直径小于第二测量区域；所述温度控制设备的输入端耦接所述第一测温仪和第二测温仪，输出端耦接所述热源的发生器；所述控制设备包括增量式PID控制器，所述增量式PID控制器用于以第一测量区域的平均温度与目标温度的差值作为输入量进行增量式PID控制；所述控制设备还将两个测量区域的平均温度的比值作为额外的反馈量，用该反馈量与所述增量式PID控制器的结果线性叠加，得到热源功率的变化值输出给所述热源的发生器。优选地，所述系统中：所述第一测温仪和所述第二测温仪分别通过夹具装夹在所述热源的发生器上，所述第一测量区域、所述第二测量区域的中心位置与所述热源的加热中心位置重合。优选地，所述系统中：所述第一测量区域的测点直径不大于2mm，所述第二测量区域与所述第一测量区域的测点直径比的最佳值为2-10。优选地，所述系统中，所述热源功率的变化值Δu有：Δu＝Kp*[error(k)-error(k-1)]+Ki*error(k)+Kd*[error(k)–2*error(k-1)+error(k-2)]–α*[T1(k)/T2(k)-T1(k-1)/T2(k-1)]；其中，k代表当前采样周期时刻，k-1代表上一采样周期时刻，比例系数Kp、积分时间系数Ki、微分时间系统Kd、抑制因子α，T1(x)为x时刻在第一测量区域测得的平均温度，T2(x)为x时刻在第二测量区域内测得的平均温度，error(x)为x时刻T1(x)与目标温度的差值，所述目标温度在试验初始阶段设定。优选地，所述测温仪为单色红外测温仪。与现有技术相比，本专利技术的技术方案可以保证激光热试验温度稳定且超调量可控，增强了激光热试验温度控制系统的鲁棒性和稳定性。通过调节抑制因子α的大小还可以实现激光热试验被控温度曲线无超调和较小的调整时间的选择，保证了试验过程的安全可控。附图说明图1为本专利技术的一个实施例中航天器热真空试验温度控制系统的结构示意图；图2为两个不同直径测点测量值的比值表征温度分布热集中程度的原理图；图3为本专利技术的一个示例实验中结果曲线示意图；图4为本专利技术的示例实验中抑制因子α与超调量和调整时间的关系图；图5为本专利技术的优选实施例中基于PID控制器的反馈迭代方式示意图；图6为温度分布热集中程度物理意义的原理图；图7为进一步说明温度分布热集中程度的物理意义而假设的三种温度场分布。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例为实施本专利技术的较佳实施方式，所述描述是以说明本专利技术的一般原则为目的，并非用以限定本专利技术的范围。本专利技术的保护范围应当以权利要求所界定者为准，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。为保证试验温度稳定且超调量可控，本专利技术采用了多种方式来进行精确可控的温度控制。首先，由于激光束具有时间输出和空间分布的可控性强的特点，在模拟空间环境下受热件局部或者整体的受热状态方面具有优势，尤其是其具有易于实现输出功率的实时调节和时间响应快的特点，因此本专利技术的技术方案中使用激光作为热试验的加热源。测温仪优选采用红外测温仪，红外测温仪具有圆形测量区域，可获得更客观的测量数据，但如条件不允许的话，可采用热电偶或其他测温手段进行测量。采用热电偶等点状测温仪时，可以将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航天器热真空试验温度控制方法，其特征在于，所述方法包括步骤：使用两个测量范围不同的测温仪，分别为第一测温仪和第二测温仪，同时对热源的加热中心位置进行测量；其中所述第一测温仪在被测部件上监测第一测量区域，得到第一平均温度T1；所述第二测温仪在被测部件上监测第二测量区域，得到第二平均温度T2；第一测量区域的范围小于第二测量区域；并且所述第一测量区域、所述第二测量区域的中心位置与所述加热中心位置重合；在每个采样周期内，根据第一平均温度T1作为增量式PID控制器的输入量；同时将两个平均温度的比值T1/T2作为额外的反馈量，将该反馈量与所述增量式PID控制器的结果线性叠加得到热源功率的变化值；根据所述变化值调整热源的输出功率后，所述热源继续对被测部件进行加热，随后在下一个采样周期内再次监测温度并重复上述步骤，循环直到试验结束。

【技术特征摘要】
1.一种航天器热真空试验温度控制方法，其特征在于，所述方法包括步骤：使用两个测量范围不同的测温仪，分别为第一测温仪和第二测温仪，同时对热源的加热中心位置进行测量；其中所述第一测温仪在被测部件上监测第一测量区域，得到第一平均温度T1；所述第二测温仪在被测部件上监测第二测量区域，得到第二平均温度T2；第一测量区域的范围小于第二测量区域；并且所述第一测量区域、所述第二测量区域的中心位置与所述加热中心位置重合；在每个采样周期内，根据第一平均温度T1，得到第一平均温度T1与目标温度的差值作为增量式PID控制器的输入量；同时将两个平均温度的比值T1/T2作为额外的反馈量，将该反馈量与所述增量式PID控制器的结果线性叠加得到热源功率的变化值；根据所述变化值调整热源的输出功率后，所述热源继续对被测部件进行加热，随后在下一个采样周期内再次监测温度并重复上述步骤，循环直到试验结束。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增量式PID控制器中使用比例系数Kp、积分时间系数Ki和微分时间系数Kd对所述输入量进行增量式PID控制，同时使用抑制因子α对所述额外的反馈量进行调整。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法中，所述热源功率的变化值Δu有：Δu＝Kp*[error(k)-error(k-1)]+Ki*error(k)+Kd*[error(k)–2*error(k-1)+error(k-2)]–α*[T1(k)/T2(k)-T1(k-1)/T2(k-1)]；其中，k代表当前采样周期的时刻，k-1代表上一采样周期的时刻，比例系数Kp、积分时间系数Ki、微分时间系统Kd、抑制因子α，T1(x)为x时刻在第一测量区域测得的平均温度，T2(x)为x时刻在第二测量区域内测得的平均温度，error(x)为x时刻T1(x)与目标温度的差值，所述目标温度在试验初始阶段设定。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采样周期的范围大于等于10毫秒且小于等于10秒。5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述抑制因子...

【专利技术属性】
技术研发人员：虞钢，甘政涛，郑彩云，李少霞，何秀丽，宁伟健，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11