衛(wèi)星用車載空調(diào)裝置測(cè)控系統(tǒng)的研制與試驗(yàn)

衛(wèi)星用車載空調(diào)裝置測(cè)控系統(tǒng)的研制與試驗(yàn)分析摘要：根據(jù)衛(wèi)星用運(yùn)輸車空調(diào)裝置所要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，采用多級(jí)凈化、二次回風(fēng)和模糊-PID控制技術(shù)，提出了一套高可靠性的環(huán)境參數(shù)控制方案。測(cè)控系統(tǒng)調(diào)試完成后，通過(guò)實(shí)地考核試驗(yàn)，其測(cè)試數(shù)據(jù)完全符合設(shè)計(jì)要求，為特殊空調(diào)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了參考。關(guān)鍵字：車載空調(diào)環(huán)境參數(shù)模糊PID控制0前言我國(guó)研制的某種型號(hào)的衛(wèi)星在發(fā)射之前，從安裝工廠運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射塔架，大約需要數(shù)小時(shí)的運(yùn)輸時(shí)間。由于衛(wèi)星攜帶的電子和光學(xué)儀器越來(lái)越精密，它們對(duì)環(huán)境參數(shù)的要求也越來(lái)越高[1-2]，因而在運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)裝有衛(wèi)星的整流罩內(nèi)的空氣品質(zhì)有嚴(yán)格的要求，需在衛(wèi)星運(yùn)輸車上安裝一套特殊的空調(diào)裝置，以控制其各項(xiàng)參數(shù)--溫度、濕度、壓力及凈化指標(biāo)，以滿足衛(wèi)星罩內(nèi)空氣的技術(shù)要求。1研制要求及裝置特點(diǎn)1.1研制要求衛(wèi)星車載空調(diào)裝置使用地區(qū)氣候條件惡劣，溫度可控范圍－20℃～35℃，相對(duì)濕度15%～85%，衛(wèi)星罩內(nèi)空氣必須處于50Pa以上的正壓，并保證其潔凈度達(dá)到10萬(wàn)級(jí)。車載空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中必須安全、可靠、溫濕度波動(dòng)小；衛(wèi)星罩內(nèi)的工況應(yīng)在規(guī)定的溫度、相對(duì)濕度范圍內(nèi)可任意調(diào)節(jié)；溫度控制精度為±0.5℃，相對(duì)濕度控制精度±4％；由初始狀態(tài)調(diào)到規(guī)定范圍內(nèi)任一狀態(tài)的時(shí)間快速等要求。1.2空調(diào)裝置特點(diǎn)由于該系統(tǒng)的特殊性，要求系統(tǒng)工作可靠、節(jié)省投資及操作簡(jiǎn)單，通過(guò)大量計(jì)算分析和多種方案對(duì)比[2-3]，確定了如圖1所示的空氣處理方案，以確保衛(wèi)星罩內(nèi)的空調(diào)參數(shù)符合技術(shù)要求。新風(fēng)通過(guò)設(shè)置在車頂?shù)男嘛L(fēng)口由新風(fēng)風(fēng)機(jī)吸入新風(fēng)管道，然后新風(fēng)通過(guò)粗效過(guò)濾器進(jìn)入空調(diào)箱內(nèi)與回風(fēng)混合后經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器冷卻去濕、加熱器和加濕器的加熱加濕、中效過(guò)濾器和高效過(guò)濾器的凈化處理，達(dá)到所要求的送風(fēng)狀態(tài)。對(duì)罩內(nèi)空氣潔凈度、總揮發(fā)性有機(jī)物以及非揮發(fā)性殘留物總量要進(jìn)行測(cè)試。另外，車載空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，要補(bǔ)充罩內(nèi)泄漏的空氣，尤其是保證相對(duì)濕度最低達(dá)到15％，所以回風(fēng)系統(tǒng)采用一次回風(fēng)和二次回風(fēng)相結(jié)合的方式。在風(fēng)道上設(shè)置二次回風(fēng)管路，加上變頻風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)量，達(dá)到去濕和防結(jié)霜的目的。2測(cè)控系統(tǒng)的研制2.1總體設(shè)計(jì)方案衛(wèi)星用空調(diào)裝置自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)涉及的控制對(duì)象有3個(gè)，即回風(fēng)溫度、回風(fēng)濕度和罩內(nèi)壓力。由于空調(diào)環(huán)境控制參數(shù)精度要求高，且系統(tǒng)運(yùn)行絕對(duì)可靠，所以設(shè)計(jì)著重從高精度和可靠性方面考慮。在工況參數(shù)測(cè)量方面，采用品質(zhì)優(yōu)良、精度高的壓力、壓差變送器和溫度、濕度傳感器，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換、隔離后，送入數(shù)據(jù)采集儀。數(shù)據(jù)采集儀通過(guò)數(shù)據(jù)總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。在工況調(diào)節(jié)方面。采用單回路閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，把傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)引到模糊控制器中[4]，充分發(fā)揮模糊控制魯棒性較好的特點(diǎn)，構(gòu)成模糊－PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制器。圖2監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)流程另外，為了增加系統(tǒng)的可靠性和加快空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)入控制范圍的速度，增加了一套人工控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)備控制方面，由于用戶特殊要求采用繼電器控制。本系統(tǒng)軟件是基于WINDOWS操作平臺(tái)開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)測(cè)控軟件，其功能不僅限于單純的數(shù)據(jù)采集，更增加了管理與數(shù)據(jù)分析等后處理功能；可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集通道參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)管理和試驗(yàn)歷史記錄查詢、測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)曲線分析、打印試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)及曲線等多種工作。測(cè)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)為現(xiàn)場(chǎng)傳感器、變送器和執(zhí)行器、智能數(shù)字指示調(diào)節(jié)儀，計(jì)算機(jī)集中采集、處理。其結(jié)構(gòu)流程圖如圖2所示。2.2受控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性分析空調(diào)系統(tǒng)的受控對(duì)象是衛(wèi)星罩，相關(guān)的被調(diào)量是罩內(nèi)的溫度、相對(duì)濕度以及壓力?？偟膩?lái)說(shuō)，受控對(duì)象有兩個(gè)通道：控制通道和擾動(dòng)通道，也可稱為內(nèi)擾通道和外擾通道。當(dāng)溫度作為被調(diào)量時(shí)，受控對(duì)象如圖3，擾動(dòng)通道有兩個(gè)，一是衛(wèi)星罩內(nèi)的熱量輸出N1(S)，主要是空氣處理箱內(nèi)風(fēng)機(jī)的功率轉(zhuǎn)化的熱量、罩內(nèi)和風(fēng)管的漏熱以及衛(wèi)星本身的熱量，其動(dòng)態(tài)特性為W1(S)；二是制冷機(jī)組的冷量輸出N2(S)，其動(dòng)態(tài)特性為W2(S)。受控對(duì)象還有一個(gè)控制通道，就是電加熱器的熱量輸出U(S)，其大小是由控制器根據(jù)被調(diào)量與設(shè)定值之間的偏差按其內(nèi)置算法決定，其動(dòng)態(tài)特性為W0(S)。對(duì)于衛(wèi)星罩內(nèi)溫度被調(diào)量，可以通過(guò)對(duì)U(S)的調(diào)節(jié)，平衡N1(S)、N2(S)，以得到設(shè)定的溫度。2.3PID模糊控制器的工程自整定從上面的系統(tǒng)受控對(duì)象分析可知，本系統(tǒng)的控制對(duì)象是衛(wèi)星罩內(nèi)空氣的溫度、濕度以及壓力，并且整個(gè)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)大慣性、大滯后環(huán)節(jié)，存在嚴(yán)重的非線性特性，需要建立起空氣調(diào)節(jié)的精確模型，這就給用PID控制的空氣環(huán)境系統(tǒng)帶來(lái)困難，使得對(duì)PID參數(shù)的整定在很大程度上依賴于具有豐富經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人員，導(dǎo)致調(diào)試?yán)щy和控制效果不理想。針對(duì)這種情況，采用參數(shù)自調(diào)整Fuzzy-PID的方法來(lái)彌補(bǔ)這種空調(diào)系統(tǒng)沒(méi)有精確模型，難以整定PID參數(shù)的問(wèn)題。由于使用模糊控制器,可以不依賴于系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，特別適宜這種復(fù)雜系統(tǒng)(或過(guò)程)與模糊性對(duì)象的采用;同時(shí)又具有智能性和自學(xué)習(xí)性，將模糊控制中的知識(shí)表示、模糊規(guī)則與合成推理通過(guò)專家知識(shí)或成熟經(jīng)驗(yàn),不斷學(xué)習(xí)更新;控制系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)、能夠很好地克服動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中模型參數(shù)變化和非線性等不確定因素?？紤]到裝置涉及的實(shí)際情況，只針對(duì)單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)作出討論。這里利用數(shù)字調(diào)節(jié)器固化的尋優(yōu)方法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行自尋優(yōu)化整定，以達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)之目的。2.4執(zhí)行器和控制回路執(zhí)行器是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)中不可缺少的重要部分。它由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。本裝置中罩內(nèi)溫度和相對(duì)濕度控制的執(zhí)行器均為三相調(diào)功器，三相調(diào)功器根據(jù)PID調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)分別調(diào)節(jié)控制電加熱器和電加濕器的功率，使罩內(nèi)溫度和相對(duì)濕度控制在設(shè)定值。罩內(nèi)壓力控制的執(zhí)行器為變頻器，變頻器根據(jù)PID調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的頻率。前面分析中提到，在罩內(nèi)環(huán)境處于穩(wěn)定工況情況時(shí)，所有外部擾動(dòng)輸入都可近似認(rèn)為是不變的常量，且實(shí)際控制中外部擾動(dòng)與控制通道的作用相比確實(shí)比較小，因而可用單輸入單輸出(SISO)的控制回路來(lái)實(shí)現(xiàn)。相對(duì)濕度控制回路由濕度傳感器、PID調(diào)節(jié)器、三相調(diào)功器和加濕器組成；壓力控制系統(tǒng)由壓力變送器、PID調(diào)節(jié)器、變頻器和風(fēng)機(jī)組成。3測(cè)控系統(tǒng)的調(diào)試與分析在進(jìn)行調(diào)節(jié)器調(diào)試之前，先要對(duì)PID調(diào)節(jié)器初始參數(shù)設(shè)置，包括信號(hào)I/O類型、響應(yīng)時(shí)間、允許輸入的最大值和最小值、溫度超溫和低溫報(bào)警限制以及通訊地址等。在以上參數(shù)設(shè)置完畢后，要對(duì)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行自整定的功能調(diào)試，即對(duì)控制器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的過(guò)程特性要充分認(rèn)識(shí)，并自動(dòng)地計(jì)算出最佳PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。3.1溫度PID控制器參數(shù)自整定設(shè)置溫度20℃、濕度38%的工況，當(dāng)罩內(nèi)溫濕度接近設(shè)定工況時(shí)，將濕度PID控制器切換至手動(dòng)，保持恒定輸出，以免對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，再啟動(dòng)溫度PID控制器參數(shù)自整定功能，它將強(qiáng)制系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)，在系統(tǒng)參數(shù)到達(dá)第三次波峰時(shí)參數(shù)自整定結(jié)束并自動(dòng)轉(zhuǎn)入自控狀態(tài)，系統(tǒng)的慣性越大，自整定時(shí)間將越長(zhǎng)。整定后必須進(jìn)行其它工況穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)其整定效果，圖6即為PID參數(shù)自整定后溫度設(shè)為40℃，濕度設(shè)為38％工況時(shí)罩內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化圖。由圖6可以看出，雖然溫度PID控制器參數(shù)的自整定是在溫度20℃的工況溫度時(shí)進(jìn)行的，但其整定結(jié)果的調(diào)節(jié)效果在溫度為40℃時(shí)同樣很好，曲線非常平穩(wěn)，最大波動(dòng)幅度不超過(guò)0.2℃。圖6自整定后溫度為40℃溫度隨時(shí)間變化圖3.2濕度PID控制器參數(shù)自整定與溫度PID控制器相似，可以對(duì)濕度PID控制器進(jìn)行參數(shù)自整定試驗(yàn)，選取自整定時(shí)的設(shè)定濕度工況為38%，然后對(duì)濕度PID控制器參數(shù)自整定后的控制效果在不同的濕度工況下進(jìn)行檢驗(yàn)，可以看出在其它工況（設(shè)置工況為20％）3.3壓力PID控制器參數(shù)自整定壓力PID控制器進(jìn)行參數(shù)自整定試驗(yàn)，選取自整定時(shí)的設(shè)定壓力工況為50Pa，然后在壓力為100Pa時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié),經(jīng)過(guò)參數(shù)自整定之后，壓力曲線非常平穩(wěn)，最大波動(dòng)幅度在7Pa左右,能滿足技術(shù)要求。4結(jié)論從空調(diào)裝置測(cè)控系統(tǒng)的溫度、濕度以及壓力調(diào)試分析及參數(shù)自整定結(jié)果看出：1.溫度、濕度及壓力進(jìn)入工況穩(wěn)定時(shí)，在遠(yuǎn)低于規(guī)定的范圍內(nèi)波動(dòng)，設(shè)計(jì)的模糊－PID控制效果良好，既解決了車載衛(wèi)星運(yùn)輸過(guò)程中氣候瞬變而造成新風(fēng)進(jìn)入罩內(nèi)，引起空氣擾動(dòng)的問(wèn)題，又合理地使用了有限的電量，滿足罩內(nèi)空氣環(huán)境控制的要求，達(dá)到了系統(tǒng)最大限度地節(jié)能。2.衛(wèi)星車載空調(diào)裝置系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便、系統(tǒng)工況穩(wěn)定時(shí)間短、測(cè)量精度高，在多次衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程中受到使用單位的好評(píng)。該項(xiàng)目的成功研制為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用提供了重要的參考價(jià)值。參考文獻(xiàn)1.李兆堅(jiān).西昌衛(wèi)星發(fā)射塔空調(diào)凈化設(shè)計(jì).