航天器热真空试验温度控制方法技术

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。该方法包括步骤：使用两个测量范围不同的测温仪，同时对激光加热中心位置进行测量，分别获得两个测量范围的平均温度T1、T2；将两个平均温度的比值T1/T2作为PID控制器中比例和积分时间系数的整定参数，根据T1/T2的变化对比例和积分时间系数进行实时在线整定，利用整定过的系数通过PID控制获得当前加热功率的变化值；根据所述变化值调整加激光的输出功率。本发明专利技术在使被控温度的超调量大大减小的条件下，使被控温度的调整时间不增加，同时还增强了航天器热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
本专利技术涉及航天器地面热试验领域，特别是涉及航天器真空热试验温度控制领域。
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。航天器热真空试验是在地面上模拟航天器在太空环境工作时受到的真空、低温、太阳辐射等恶劣条件。一般是在真空的环境模拟室内进行，用太阳模拟器或者红外模拟器作为热源照射被试验组件，使其到达预先要求的试验温度或者热流，考察航天器各方面的性能是否满足要求。在航天器热真空试验中，除了要模拟真空条件外，还有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，将引起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，欠试验则可导致航天器上某些仪器设备得不到应有的考验。特别是由于热试验的真空环境散热极为缓慢的特点，在进行温度控制时，当温度曲线出现超调时，超调很难减小，极易导致过试验。并且由于航天器热真空试验成本高、周期长，一般很难试验之前对温度控制系统进行在线调试，所以对温度控制系统的鲁棒性和适应性提出了更高的要求。由于航天器热真空试验所处的特殊环境和设备条件的限制，如何提高航天器热真空试验温度控制系统的稳定性、准确性、快速性、鲁棒性和适应性是一个重要且有挑战性的工作。
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，同时对加热中心位置进行测量；所述第一测温仪在被测部件上监测第一测量区域，得到该测量区域平均温度T1；所述第二测温仪在被测部件上监测第二测量区域，得到该测量区域平均温度T2；其中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，将两个平均温度的比值T1/T2作为PID控制器中比例和积分时间系数的整定参数，根据T1/T2的变化对比例和积分时间系数进行实时在线整定，用整定过的系数修正上一采样周期PID控制器的比例和积分时间系数；再根据当前第一平均温度T1作为已更新比例和积分时间系数的所述PID控制器的输入量，获得当前热源功率的变化值；根据所述变化值调整所述热源的输出功率后，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，所述激光功率的变化值Δu有：Δu＝Kp*[error(k)-error(k-1)]+Ki*error(k)+Kd*[error(k)–2*error(k-1)+error(k-2)]；其中，k代表当前时刻，k-1代表上一时刻，比例系数Kp、积分时间系数Ki、微分时间系统Kd，error(x)为x时刻T1与目标温度的差值；所述比例系数Kp、积分时间系数Ki是两平均温度比值T1/T2的非线性函数，在热试验过程中随T1/T2的变化进行实时整定。优选地，设当前时刻平均温度比值有A＝T1/T2，α为可调参数，则：所述比例系数的整定算法为Kp(A)＝Kp0*Aα，Kp0为预设的初值；所述积分时间系数的整定算法为：Ki0为预设的初值，Amax为本次试验中已采样的A的最大值；所述PID控制中的微分时间系数Kd为预设的常数。优选地，所述可调参数α根据超调量及调整时间要求进行设置。优选地，所述可调参数α的取值范围为大于等于0且小于等于10。优选地，所述第一测量区域的直径不大于2mm。优选地，两个测量区域的面积比最佳为4-100。优选地，所述的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PID控制器为增量式PID控制器或者传统PID控制器。优选地，所述热源为连续激光器或者脉冲激光器；所述测温仪为单色红外测温仪或者比色红外测温仪。本专利技术的技术方案在使被控温度的超调量大大减小的条件下，使被控温度的调整时间不增加。甚至参数设定得当时，能用更短的调整时间得到更小的超调量，得到了预料不到的技术效果。附图说明图1为航天器热真空试验温度控制系统的安装结构示意图。图2为航天器热真空试验温度控制方法的流程示意图。图3为积分时间系数整定时三个时间阶段的划分示意图。图4为本专利技术的示例实验不同的α的结果曲线图。图5为本专利技术的示例实验中参数α与超调量和调整时间的关系图。图6为本专利技术的算法适应性测试实验结果图，设定温度从50℃-200℃，控制算法的超调量和调整时间的变化示意。图7为本专利技术的算法鲁棒性测试实验结果曲线，变化初始的PID参数，控制算法的温度控制曲线的变化。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优选使用激光作为热试验的加热源。但实际情况中，如条件不允许使用激光束，红外或其他加热手段同样可适用于本专利技术。此外，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。在本专利技术的一个实施例中，如图2所示，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，同时对加热中心位置进行测量。所述第一测温仪在被测部件上监测第一测量区域，得到该测量区域平均温度T1；所述第二测温仪在被测部件上监测第二测量区域，得到该测量区域平均温度T2；其中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激光热源的中心位置重合。在试验之初设定目标温度值。在试验过程中，在每个采样周期内，将两个平均温度的比值T1/T2作为PID控制器中比例和积分时间系数的整定参数。根据T1/T2的变化对比例和积分时间系数进行实时在线整定，用整定过的系数修正上一采样周期PID控制器的比例和积分时间系数。再根据第一测温仪得到当前测量的平均温度T1作为所述以更新比例和积分时间系数的PID控制器的输入量，获得当前热源功率的变化值；根据所述变化值调整加激光热源的输出功率。所述加热源调整功率后继续对被测部件进行加热，随后在下一个采样周期内再次得到的测量温度并进行上述控制方法，循环直到试验结束。其中如图1所示，本专利技术的优选实施例中，航天器热真空试验温度控制系统具体包括：激光头1、第一红外测温仪3、第二红外测本文档来自技高网...

【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，同时对加热中心位置进行测量；所述第一测温仪在被测部件上监测第一测量区域，得到该测量区域平均温度T1；所述第二测温仪在被测部件上监测第二测量区域，得到该测量区域平均温度T2；其中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，将两个平均温度的比值T1/T2作为PID控制器中比例和积分时间系数的整定参数，根据T1/T2的变化对比例和积分时间系数进行实时在线整定，用整定过的系数修正上一采样周期PID控制器的比例和积分时间系数；再根据当前第一平均温度T1作为已更新比例和积分时间系数的所述PID控制器的输入量，获得当前热源功率的变化值；根据所述变化值调整所述热源的输出功率后，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，同时对加热中心位置进行测量；所述第一测温仪在被测部件上监测第一测量区域，得到该测量区域平均温度T1；所述第二测温仪在被测部件上监测第二测量区域，得到该测量区域平均温度T2；其中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，将两个平均温度的比值T1/T2作为PID控制器中比例和积分时间系数的整定参数，根据T1/T2的变化对比例和积分时间系数进行实时在线整定，用整定过的系数修正上一采样周期PID控制器的比例和积分时间系数；再根据当前第一平均温度T1作为已更新比例和积分时间系数的所述PID控制器的输入量，获得当前热源功率的变化值；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，所述热源是激光热源，所述激光热源功率的变化值Δu有：Δu＝Kp*[error(k)-error(k-1)]+Ki*error(k)+Kd*[error(k)–2*error(k-1)+error(k-2)]；其中，k代表当前时刻，k-1代表上一时刻，比例系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：虞钢，甘政涛，李少霞，郑彩云，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