卫星用车载空调装置测控系统的研制与试验

卫星用车载空调装置测控系统的研制与试验分析摘要：根据卫星用运输车空调装置所要达到的技术指标，采用多级净化、二次回风和模糊-PID控制技术，提出了一套高可靠性的环境参数控制方案。测控系统调试完成后，通过实地考核试验，其测试数据完全符合设计要求，为特殊空调的设计开发提供了参考。关键字：车载空调环境参数模糊PID控制0前言我国研制的某种型号的卫星在发射之前，从安装工厂运输到发射塔架，大约需要数小时的运输时间。由于卫星携带的电子和光学仪器越来越精密，它们对环境参数的要求也越来越高[1-2]，因而在运输过程中对装有卫星的整流罩内的空气品质有严格的要求，需在卫星运输车上安装一套特殊的空调装置，以控制其各项参数--温度、湿度、压力及净化指标，以满足卫星罩内空气的技术要求。1研制要求及装置特点1.1研制要求卫星车载空调装置使用地区气候条件恶劣，温度可控范围－20℃～35℃，相对湿度15%～85%，卫星罩内空气必须处于50Pa以上的正压，并保证其洁净度达到10万级。车载空调系统在运行过程中必须安全、可靠、温湿度波动小；卫星罩内的工况应在规定的温度、相对湿度范围内可任意调节；温度控制精度为±0.5℃，相对湿度控制精度±4％；由初始状态调到规定范围内任一状态的时间快速等要求。1.2空调装置特点由于该系统的特殊性，要求系统工作可靠、节省投资及操作简单，通过大量计算分析和多种方案对比[2-3]，确定了如图1所示的空气处理方案，以确保卫星罩内的空调参数符合技术要求。新风通过设置在车顶的新风口由新风风机吸入新风管道，然后新风通过粗效过滤器进入空调箱内与回风混合后经过蒸发器冷却去湿、加热器和加湿器的加热加湿、中效过滤器和高效过滤器的净化处理，达到所要求的送风状态。对罩内空气洁净度、总挥发性有机物以及非挥发性残留物总量要进行测试。另外，车载空调系统在运行过程中，要补充罩内泄漏的空气，尤其是保证相对湿度最低达到15％，所以回风系统采用一次回风和二次回风相结合的方式。在风道上设置二次回风管路，加上变频风机调节风量，达到去湿和防结霜的目的。2测控系统的研制2.1总体设计方案卫星用空调装置自动监控系统涉及的控制对象有3个，即回风温度、回风湿度和罩内压力。由于空调环境控制参数精度要求高，且系统运行绝对可靠，所以设计着重从高精度和可靠性方面考虑。在工况参数测量方面，采用品质优良、精度高的压力、压差变送器和温度、湿度传感器，经过信号转换、隔离后，送入数据采集仪。数据采集仪通过数据总线与计算机进行数据通讯。在工况调节方面。采用单回路闭环调节方式，把传统的PID控制技术引到模糊控制器中[4]，充分发挥模糊控制鲁棒性较好的特点，构成模糊－PID自动调节控制器。图2监控软件结构流程另外，为了增加系统的可靠性和加快空调系统参数进入控制范围的速度，增加了一套人工控制系统。在系统设备控制方面，由于用户特殊要求采用继电器控制。本系统软件是基于WINDOWS操作平台开发的计算机测控软件，其功能不仅限于单纯的数据采集，更增加了管理与数据分析等后处理功能；可进行数据采集通道参数设置、系统管理和试验历史记录查询、测试结果趋势曲线分析、打印试验记录数据及曲线等多种工作。测控系统硬件结构为现场传感器、变送器和执行器、智能数字指示调节仪，计算机集中采集、处理。其结构流程图如图2所示。2.2受控对象动态特性分析空调系统的受控对象是卫星罩，相关的被调量是罩内的温度、相对湿度以及压力。总的来说，受控对象有两个通道：控制通道和扰动通道，也可称为内扰通道和外扰通道。当温度作为被调量时，受控对象如图3，扰动通道有两个，一是卫星罩内的热量输出N1(S)，主要是空气处理箱内风机的功率转化的热量、罩内和风管的漏热以及卫星本身的热量，其动态特性为W1(S)；二是制冷机组的冷量输出N2(S)，其动态特性为W2(S)。受控对象还有一个控制通道，就是电加热器的热量输出U(S)，其大小是由控制器根据被调量与设定值之间的偏差按其内置算法决定，其动态特性为W0(S)。对于卫星罩内温度被调量，可以通过对U(S)的调节，平衡N1(S)、N2(S)，以得到设定的温度。容2.3PI俯D版模糊控制器的卧工程自整定奇从上面的系统踏受控对象分析急可知，本系统顶的控制对象是脚卫星罩内空气念的温度、湿度复以及压力，并惯且整个空气调逆节系统是一个辜大惯性、大滞属后环节，存在蜓严重的非线性阀特性，需要建督立起空气调节脑的精确模型，俯这就给肯用猛PI穴D涉控制的空气环曾境系统带来困男难，使得碍对选PI虫D躬参数的整定在还很大程度上依块赖于具有丰富恰经验的工程技师术人员，导致卫调试困难和控休制效果不理想习。针对这种情签况，采用参数踩自调昆整都Fuzzy-渔PI戴D除的方法来弥补荐这种空调系统锹没有精确模型扮，难以整排定只PI沿D仆参数的问题。行由于使用模糊辅控制黎器泼,棋可以不依赖于小系统精确的数骤学模型，特别真适宜这种复杂迟系纷统叹(正或过患程熄)慧与模糊性对象娘的采液用研;膜同时又具有智形能性和自学习耗性，将模糊控贝制中的知识表茂示、模糊规则荷与合成推理通维过专家知识或狡成熟经出验部,治不断学习更垦新壮;耻控制系统鲁棒扰性强、能够很英好地克服动态名系统中模型参会数变化和非线找性等不确定因傻素。考虑到装蚁置涉及的实际叫情况，只针对芽单回路调节系挪统作出讨论。覆这里利用数字接调节器固化的朱寻优方法食对重PI朗D白参数进行自寻柜优化整定，以塔达到优化目标蓝函数之目的。款2.4编融执行器和控制副回路安执行器是构成母自动控制系统稻中不可缺少的功重要部分。它嫁由执行机构和透调节机构组成封。本装置中罩阀内温度和相对右湿度控制的执梁行器均为三相浆调功器，三相浪调功器根逆据济PI窑D枝调节器输出的估控制信号分别苏调节控制电加结热器和电加湿魄器的功率，使哄罩内温度和相滴对湿度控制在救设定值。罩内悔压力控制的执怠行器为变频器艘，变频器根吼据恒PI汇D翠调节器输出的丢控制信号调节阴风机的频率。申前面分析中提颜到，在罩内环秀境处描于稳定工况情存况时，所有外誉部扰动输入都撇可近似认为是辨不变的常量，猾且实际控制中慈外部扰动与控搬制通道的作用猫相比确实比较确小，因而可用透单输入单输医出玩(SISO均)帖的控制回路来叹实现。相对湿彩度控制回路由暴湿度传感器享、针PI挖D跌调节器、三相斥调功器和加湿薯器组成；压力堡控制系统由压烈力变送器住、话PI貌D胃调节器、变频录器和风机组成肝。捏3敢玩测控系统的调没试与分析术在进行调节器卡调试之前，先加要宽对铸PI秘D米调节器初始参渗数设置，包括莲信袭号看I/心O症类型、响应时鸟间、允许输入恶的最大值和最输小值、温度超泪温和低温报警泰限制以及通讯陕地址等。在以封上参数设置完得毕后，要魄对蛙PI拳D堵调节器参数进询行自整定的功煤能调试，即对弦控制器自动检遭测系统的过程切特性要充分认权识，并自动地心计算出最删佳书PI排D何参数进行调试吐。宫3.1处伟温笨度须PI党D我控制器参数自哄整定细设置温度蹈2景0吓℃妈、湿物度垃38梅%类的工况，当罩土内温湿度接近勇设定工况时，殿将湿触度未PI解D信控制器切换至肢手动，保持恒缴定输出，以免艺对系统产生干迅扰，再启动温统度眨PI协D以控制器参数自祥整定功能，它抗将强制系统产林生扰动，在系型统参数到达第腹三次波峰时参寿数自整定结束莫并自动转入自体控状态，系统蓬的惯性越大，螺自整定时间将佣越长。整定后龙必须进行其它巨工况稳定性实毛验检验其整定乏效果，卸图放6愧即复为秩PI脖D枝参数自整定后床温度设为胁4恼0扒℃道，湿度设挺为垒3咬8甜％工况时罩内萍温度随时间的办变化图。由阔图并6串可以看出，虽摊然温斜度浊PI丰D笋控制器参数的间自整定是在温来度爷2故0练℃捞的工况温度时攻进行的，但其孤整定结果的调档节效果在温度验为系4血0军℃躲时同样很好，瑞曲线非常平稳临，最大波动幅讲度不超过件0.居2芹℃迅。调图引6斗立自整定后温度冰为徐4楼0层℃徐温度随时间变脸化图浩3.2未砍湿纤度迎PI天D响控制器参数自袍整定群与温寺度详PI盾D亲控制器相似，腾可以对湿医度滑PI久D雅控制器进行参拘数自整定试验绸，选取自整定动时的设定湿度领工况捏为溉38片%吓，然后对湿伴度施PI叉D毅控制器参数自加整定后的控制异效果在不同的掩湿度工况下进壶行检验，可以堂看出在其它工暴况（设置工况用为孙2问0洁％）紧3.3谊留压束力黑PI余D香控制器参数自达整定纤压锁力枣PI嚼D尤控制器进行参辞数自整定试验双，选取自整定翻时的设定压力散工况庆为户50P税a袋，然后在压力佣为汗100P饰a麦时进行调腹节趣,率经过参数自整饿定之后，压力项曲线非常平稳壁，最大波动幅枪度炊在团7P毛a禾左糟右激,骡能满足技术要汽求。4结论妹从空调装置测菜控系统的温度塑、湿度以及压须力调试分析及量参数自整定结烫果看出盟：抵1爱.殃温度、湿度及皂压力进入工况础稳定时，在远碍低于规定的范本围内波动，设辽计的模糊造－凑PI束D冰控制效果良好爆，既解决了车泄载卫星运输过母程中气候瞬变乔而造成新风进支入罩内，引起耀空气扰动的问驰题，又合理地搭使用了有限的克电量，满足罩厨内空气环境控震制的要求，达佳到了系统最大勿限度地节能泼。队2恩.论卫星车载空调行装置系统自动钥化程度高、运激行稳定、操作音方便、系统工羊况稳定时间短钩、测量精度高仙，在多次卫星晶发射过程中受蜡到使用单位的幅好评。该项目雨的成功研制为御同类产品的设渴计以及应用提朽供了重要的参粱考价值。参考文献贺1随.深李兆奇坚兴.号西昌卫星发射嘴塔空调净化设离计塑.锁暖通空达调为[J],20啊00,3枣0蔬（温5屠）裹,56-58漫.已2胖.邻李兆椅坚炒,建万才击