低温黑体自动控温新技术

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1、航天器环境工程第28卷第4期362SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2011年8月低温黑体自动控温新技术李娜，许杰，杨林华(北京卫星环境工程研究所，北京100094)摘要：工作在真空低温环境下的黑体控温系统是一种非线性、大滞后、数学模型很难建立的系统。文章通过分析系统的结构、组成和原理，选择了模糊控制和智能PID控制相结合的算法。通过分析多次的试验数据，建立并完善了模糊控制规则表。基于该算法的控温软件，实现了系统的自动控制，已服务于某型号辐射定标试验。文章最后给出的试验数据验证了控制算法的合理性，该算法加快了系统升温速度，提高了系统稳定性

2、，取得了良好的控温效果。关键词；低温黑体；温度控制；模糊控制；智能PID控制中图分类号：TP273+．4文献标识码：B文章编号：1673-1379(2011)04-0362-05DoI：10．3969a．issn．1673．1379．2011．04．0110引言工作在真空低温环境下的连续调温腔型黑体，在240～360K温度范围内连续可调，是卫星遥感器红外辐射定标的标准辐射源。在辐射定标试验中，黑体控温软件需要对黑体腔和保护腔进行测温和控温，按照稳定性要求将黑体稳定在不同温度下，通过黑体温度的连续变化，模拟地球不同自然目标温区的辐射【l】。温度控制系统大多采用PID方法

3、进行控制，复杂的控制系统常采用模糊控制、神经网络控制、专家控制等智能控制技术。然而对于真空低温环境下的控温技术，目前还以PID控制为主，该算法对于非线性、大滞后、难以建立精确控制数学模型的低温黑体并不适合。为了加快系统升温速度，提高系统稳定性，本文尝试采用模糊控制和智能PID控制相结合的方法对黑体进行控温。l黑体结构黑体几何腔采用带锥口的圆柱内锥腔结构【2】，如图1所示。黑体腔包在温控层(保护腔)里面，二者之间是真空的，靠温控层的加热和冷却，使黑体腔达到并且稳定在某一控温点【3】。为了实现240～360K的控温范围，本文采用电加热的辐射式温控等温黑体的技术方案。黑体腔

4、和保护腔具有同样的传热结构，壁上开螺旋槽，外面套上加热套管，两端面焊接，形成冷却流体管路，并在加热套管上安装加热片。温度传感器选用铂电阻温度计，放在温度平衡最缓慢的内锥底部。＼＼。、／／．夕图l黑体结构示意图Fig．1Thestructureofblackbody2黑体控温技术黑体控温不仅要满足快速达到稳态的要求，还要满足高精度的稳定性要求；而升温速度和稳定性又是一组相对矛盾的指标，因此需要根据试验的具体要求选择合适的控制算法。此外，黑体工作在真空低温环境下，是一个非线性系统，且具有较大的延迟性，因此很难建立精确的数学控制模型，要选择对数学模型依赖较少的控制算法。2．

5、1控温系统组成黑体控温系统主要由传感器、加热器、数字多用表、程控电源、网关、交换机及测控计算机等组成，分别对黑体腔和保护腔进行温度控制，系统结构见图2。收稿日期：2010．12．01：修回日期：2011．05．09基金项目：卫星型号支持项目作者简介：李娜(1980一)，女，从事空间环境模拟器的测控系统设计。E-mail：lixiaona@126．COm．。第4期李娜等：低温黑体自动控温新技术363图2黑体控温系统结构Fig．2Theblackbodytemperaturecontrolsystem系统采用控温软件控制数字多用表对黑体温度进行测量，经过与预定值的比较，根

6、据控制算法控制两台程控直流电源的输出，从而调节加热功率，使黑体腔达到目标温度。因此，控温软件是系统的核心，而控温软件的核心则是对被控对象所采用的控制算法。2．2控温原理黑体控温系统采用闭环温度控制，它的被控对象分别为黑体腔和保护腔，因此需要采取2套措施分别进行控制，其控温原理如图3所示。图3黑体控温原理Fig．3Theprincipleofblackbodytemperaturecontrol升温过程开始阶段，黑体腔温度与目标温度相差较大。为了提高黑体腔升温速度，用电源1和电源2分别依控制算法1、2对黑体腔和保护腔加热。当黑体腔温度接近某一控温点时，温控系统由升温加热

7、进入维持加热。此时由于黑体腔和保护腔之间为高真空环境，只存在辐射热交换，且黑体腔的外表面和保护腔的内表面均喷涂高发射率黑漆，这就保证了两个腔体同时升温和热补偿；因此关闭电源l，只需用电源2依控制算法2通过对保护腔的恒温控制即可实现黑体腔温度的稳定。2．3控制算法设计本文采用了2种控制算法，即对黑体辐射腔采用模糊控制；对保护腔采用模糊控制和智能PID控制相结合的方法。这2种算法对改善具有纯滞后和非线性对象的控制性能具有积极的作用。2．3．1模糊控制模糊控制是一种典型的智能控制方法，它不依赖于被控对象的精确数学模型，特别适合于被控对像受到的干扰因素多、对