高真空冷黑环境下大面阵黑体定标器控温应用研究.pdf
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1、高真空冷黑环境下大面阵黑体定标器控温应用研究刘海静,董德胜,王晓占,李灿伦,冯蕾,季琨,靳兆峰(上海卫星装备研究所,上海200240)摘要:为满足某产品在高真空冷黑环境下的红外载荷辐射定标,设计采用了一种复合 PID 控制算法,在开展大面阵黑体多分区定标器真空试验中,较好地完成了大面阵黑体多分区交叉耦合控温的高精度指标要求。基于工程实践性强的模糊控制与传统 PID 相结合的分段逼近式控温验证,整体系统控温精度达到0.1 K,满足设计控温要求。关 键 词:模糊控制;智能 PID 控制;温度扰动中图分类号:V416.5;V416.8;TB75文献标识码:A文章编号:1002-0322(2024)0
2、1-0074-04doi:10.13385/ki.vacuum.2024.01.12Research on the Application of Temperature Control of Large-sided Array Black Body inHigh Vacuum Cold and Black EnvironmentsLIU Hai-jing,DONG De-sheng,WANG Xiao-zhan,LI Can-lun,FENG Lei,JI Kun,JIN Zhao-feng(Shanghai Institute of Spacecraft Equipment,Shanghai
3、 200240,China)Abstract:In order to meet the infrared load radiation calibration of a certain product in the high vacuum cold black environment,a composite PID control algorithm is designed and adopted.In the vacuum test of the large area array black body multi zone scaler,the high-precision index re
4、quirements of the large area array black body multi zone cross coupling temperature control are well met.The segmented approximation temperature control verification based on the combination of fuzzy control and traditional PID withstrong engineering practicality has achieved an overall system tempe
5、rature control accuracy of0.1 K,meeting the design temperaturecontrol requirements.Key words:fuzzy control;intelligent PID control;temperature disturbance收稿日期:2023-04-24作者简介:刘海静(1987-),女,河北省保定市人,硕士,工程师。通讯作者:李灿伦,研究员。红外载荷辐射定标通常采用黑体作为标准辐射定标源。黑体定标采用星载黑体作为星上定标源1-3,黑体的光谱辐射量和温度之间存在精确的对应关系,利用黑体作为标准源,可以更好地提高
6、定标精度,其中的主要难点在于如何在高真空冷黑环境下实现高精度控温4-7。为满足红外载荷辐射定标对标准辐射源的要求,开展了大面阵黑体定标器温控系统设计研究,采用可编程直流电源系统作为功率热源输出,针对滞后性和较大热惯性的系统特性,采用了智能 PID 复合控温算法8-10,成功在大面阵黑体定标器中进行闭环高精度控温,试验指标完成验证。1智能 PID 复合控制设计黑体本身进行热真空试验时通常在高真空环境下经历多次高低温循环,经历升温保温回温阶段,针对这类具有一定滞后性、非线性及热惯性特点的控制对象,根据传统调节经验分析,引入智能 PID 温度控制对于改善滞后性和非线性对象的控制性能具有积极作用11-
7、12。大面阵黑体定标器高精度温度控制器的结构如图 1 所示。采用二维模糊控制(Fuzzy)与常规 PID 控制器进行复合控制,可有效控制升温速率,改善超调过程,控温实现平滑过渡。1.1模糊控制模糊控制(Fuzzy)是一种专家式的 PID 控制方 法13-15,适 用 于 大 偏 差 温 差 阶 段 实 现 快 速 升温,保证系统升温时间指标。从力求工程实践性及应用性考虑,将专家的人工经验调节方法应用于 PID 控制之中,在大偏差升温阶段不需要真空VACUUM第 61 卷第1 期2024年1月Vol.61,No.1Jan.2024第 1 期刘海静,等:高真空冷黑环境下大面阵黑体定标器控温应用研究
8、建立被控对象的数学模型。由于不确定系统、时滞系统具有较强的鲁棒性,目前广泛应用的均为二维模糊控制器,利用温度误差及误差变化作为输入变量,功率作为控制量变化输出。如图 1 所示:图 1Fuzzy+PID 复合控制器结构Fig.1Structure of Fuzzy+PID composite controllerU=(TSi Ei ECi)R(1)式中:TSi Ei ECi是输入量论域设定温度Ti与偏差Ei及偏差变化率ECi的直积,与为直积与合成运算,R 为模糊控制规则库。在大面阵黑体定标器控制系统中,输入模糊变量设定温度 TS的模糊子集为超低温,中低温,低温,常温,高温,中高温,超高温;误差变
9、化E及 EC 模糊子集为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大;输出模糊变量U对应子集为u0、u1、u2、u3、u4、u5,其中 u0u5 对应 0100%不同范围的加热输出功率。当Ei大于 e 时,完成模糊控制过程,此过程借鉴了人工调节时的专家多温度变化规律分析方法。1.2PID 控制系统在第二阶段实现精确控温过程,为了提高产品均匀性,大面阵黑体定标器考虑多温区设计16-17,每个区域实现独立控制。由于航天器处于高真空低温冷黑环境下,除通过加热片散热面辐射到产品自身的热量外,其还会吸收相邻分区的导热及热辐射。根据系统均匀性要求,保证各温区同步调升温,结合周围区域温度升温速率的快慢特性,将温度
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