CN103412592A - 一种惯性测量系统三级温控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惯性测量系统三级温控系统，该方法采用梯度温差控制方式，在原有一级或两级温控的基础上增加了惯性仪表的温控，实现三级温控，三级温控分别控制在箱体、安装台体和惯性仪表上，最大限度的降低了惯性仪表的精度受外界环境温度变化的影响，三级温控有效降低了惯性测量系统内部的温度梯度，可以保证惯性测量系统在较宽温度环境条件下正常工作，以达到稳定工作温度，从而提高了温控精度，缩短了温控的稳定时间；本发明设计的三级温控系统采用PWM温控方式和数字PID温控方式，具有较强的抗干扰能力、稳定性、电磁兼容性，同时该温控系统能够和制冷风机、半导体制冷等制冷方式匹配使用，用途范围广，环境适应性强，稳定性好。

Description

一种惯性测量系统三级温控系统

技术领域

本发明涉及一种温控系统，特别是一种惯性测量系统三级温控系统，属于温度控制技术领域。

背景技术

惯性测量系统是集自动控制、机械工程、材料、计算机、微电子、光学、数学、力学、热学等多个学科和工程技术领域为一体的技术融合。而惯性测量系统热控技术是保证惯性器件工作精度的重要保障系统之一，即控制惯性导航系统内部与外部环境热交换过程、使其热平衡温度在惯性器件要求的温度范围内，减小温度变化对惯性器件工作精度的影响。早在国外，阿波罗15号飞船登月任务上就使用了相变材料，是现代出现的新技术。相变材料是一种能发生相变并在相变过程中吸收或放出大量相变潜热而相变过程的温度基本维持不变的材料。根据相变材料的化学成分，可分为有机和无机两大类，根据相变过程的相态不同，又可分为固汽相变、液汽相变、固液相变和固固相变四类相变形态。由于固汽和液汽相变的体积变化大，使用时要有很多的复杂装置，尽管潜热大，但还是限制了他们的用途。而固固相变其潜能储存不足，可合用的体系也较少。只有固液相变时，其相变体积变化较小，储存潜热高和相变温度都可取用的范围内，且可选用的体系较多，在通常可用的固液相变材料中，很大一部分都是水合盐，这些警惕在加热融化时，放出它的结晶水，形成溶液，当这个溶液固化时就会放出潜热。

温控系统的重要性在航空航天、船舶舰艇、战术/战略武器等领域发挥着至关重要的作用，温控系统直接决定着温控对象的精度，甚至寿命。以下各国卫星发生的热故障来说明：1970年日本大禺号试验卫星，在发射入轨绕地球六圈之后，地面遥测到电子仪器温度为60℃，最终仪器停止工作，与地面失去联系。1973年美国发射的“天空实验室”，在发射起飞时，太阳能电池帆板与舱体表面热控涂层遭受损坏，入轨后太阳能电池帆板不能正常供电，引起电力不足，载人工作舱直接受到太阳照射，温度上升到87.7℃，宇航员无法入舱工作，后采用地面救援，派宇航员将喷覆金属涂层的塑料片折叠伞来遮挡遮挡阳光，舱温才逐渐下降至正常试验温度。1984年我国试验卫星在轨进行试验时，发现卫星自旋转速达到额定值时，行波管温度超出预定值。降低转速，该温度恢复正常。经地面试验证实，行波管导热热管在安装中出现一“死区”，当卫星自旋转加快、离心力加大，热管内工质回流受阻，传热量下降。综上所述，热控系统在各系统中占有重要地位，热控设计的精度和可靠性影响到整个卫星的工作状态、寿命及可靠性。

惯导系统使用环境较为复杂，现有的惯性测量系统均采用两级温控的方式，惯性仪表的精度容易受到外界环境温度变化的影响，惯性测量系统内部的温度梯度较大，仅靠目前只有加温的温控系统不能在高温条件下保证惯组正常工作。

发明内容

本发明的技术解决问题：在现有温控系统的基础上，提出了一种惯性测量系统三级温控系统，提高了温控精度，缩短了温控稳定时间。

本发明的技术解决方案：一种惯性测量系统三级温控系统，惯性测量系统由陀螺仪和加速度计组成，第一级温控系统、第二级温控系统和第三级温控系统均采用PWM温控方式，每一级温控系统由电加温器、温度传感器、测温电桥、校正网络、比较器、功率放大器和三角波发生器组成，第一级温控系统中的电加热器和温度传感器设置在惯性测量系统的箱体上，第二级温控系统中的电加热器和温度传感器设置在惯性测量系统的安装台体上，第三级温控系统中的电加热器和温度传感器设置在惯性测量系统的惯性仪表上，第一级温控系统、第二级温控系统和第三级温控系统中的温度传感器对箱体、安装台体和惯性仪表的温度进行测量，温度传感器的测量结果与温度设定值所对应的电信号作为测温电桥的两个桥臂，测温电桥的输出结果经过校正网络进行校正，比较器对校正网络输出的信号与三角波发生器产生的基准信号进行比较，比较结果经功率放大器放大后控制电加热器的开关。

所述第一级温控系统、第二级温控系统和第三级温控系统也可以采用数字PID温控方式。

所述每一级温控系统由A/D转换器、微型计算机、D/A转换器、功率放大器、电加热器和温度传感器组成，第一级温控系统、第二级温控系统和第三级中的温度传感器对箱体、安装台体和惯性仪表的温度进行测量，通过A/D转换器转化为数字量输入微型计算机，微型计算机通过数字PID控制算法进行运算产生数字量控制信号，数字量控制信号通过D/A转换器转换成模拟量控制信号，模拟量控制信号经功率放大器放大后控制电加热器的开关。

所述第一、第二和第三级温控系统还可以包括风扇、半导体制冷或相变材料用于温度控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明在原有一级或两级温控的基础上增加了惯性仪表的温控，实现三级温控，三级温控分别控制在箱体、安装台体和惯性仪表上，最大限度的降低了惯性仪表的精度受外界环境温度变化的影响，三级温控有效降低了惯性测量系统内部的温度梯度，可以保证惯性测量系统在较宽温度环境条件下正常工作，以达到稳定工作温度，从而提高了温控精度，缩短了温控的稳定时间；

(2)本发明设计的三级温控系统采用PWM温控方式和数字PID温控方式，具有较强的抗干扰能力、稳定性、电磁兼容性，同时该温控系统具有较好的匹配性能，能够和制冷风机、半导体制冷等制冷方式匹配使用，用途范围广，环境适应性强，稳定性好。

附图说明

图1为本发明惯性测量系统的组成结构图；

图2为本发明脉冲调宽温控原理图；

图3为本发明数字PID温控原理图；

图4为本发明陀螺仪温控测试脉冲数曲线图；

图5为本发明X轴陀螺仪改进前输出曲线图；

图6为本发明X轴陀螺仪改进后输出曲线图。

具体实施方式

根据热力学第二定律，只要物体之间存在温差，温度高端则必然向温度低端传递热量，这一过程称为传热。温差越大，传热越多。随着发热体本身的温度上升，与其接触的环境温度就增加，传递热量也增加。当发热体温度比环境温度高出一个固定值时，发热体本身温度不再上升，此时达到动态平衡。这个高出环境温度的固定温差值称为发热体的稳定温升，它取决于发热体本身热功率和散热情况。热传递方式主要包括传导、对流及辐射三种方式，热由介质一部分传到另一部分，介质并无可见的移动，而热能是通过分子和分子之间传送并由物质的高温区流向低温区。

热传导传递的能量见公式1：

$Q=\frac{\mathrm{\ΔT}}{R_{\mathrm{th}}}$ …………………………………………(1)

式中：

Q—单位时间内热传导传递的热量，单位W；

ΔT—热传导时的温度差，单位℃；

R_th—热阻，对物体阻碍热量流过的本领的一种量度，单位℃/W。

$R_{\mathrm{th}}=\frac{l}{\mathrm{\λS}}$ …………………………………………(2)

式中：

l—传热路径的长度，单位cm；

S—传导截面积，单位cm²；

λ—导热率（导热系数），单位W/(cm·℃)。

通过介质包括介质本身的运动进行的能量或质量的传递：

               Q=α·s·ΔT………………………………………(3)

式中：

Q—单位时间内对流换热所传递的热量，单位W；

α—传热系数，单位W/(cm²·℃)；

S—固体壁面传热面积，单位cm²；

ΔT—固体壁面与冷却流体介质间的温差，单位℃。

工程上也可用公式4来计算：

$Q=\frac{0.0201C\·S\·{\left(\mathrm{\ΔT}\right)}^{1.25}}{{\left(L\right)}^{0.25}}$ ………………………………(4)

式中：

C—取决于固体壁面方向的常数；

L—由壁面方向和形状决定的特征长度，单位cm。

固体、液体和气体因其温度而产生以电磁波形式向外的辐射。物体辐射能量的多少及辐射能量按波长的分布都与物体的温度有关。

热辐射所传递的热量见公式5：

$Q=\mathrm{\ϵ}\·C_0\·S[{\left(\frac{T_2}{100}\right)}^4-{\left(\frac{T_1}{100}\right)}^4]$ ……………………………(5)

式中：

Q—单位时间内物体辐射的热量，单位W；

ε—物体的辐射系数(ε＜1)；

C₀—黑体辐射系数，C0=5.67W/(m²·K⁴)；

T₁、T₂—热、冷物体的绝对温度，单位K；

S—辐射物体的表面积，单位m²。

热参数计算的目的是为了求出温控装置的加热功率和温升时间，可用一阶模型来表示一个简化的温控对象，并忽略周围空气的对流散热进行热参数计算。

a)陀螺仪热容量的计算

根据陀螺仪所用材料的比热和质量，可求出陀螺仪的热容，即使陀螺仪温度升高1℃所需的热量，见公式6：

               C_th=Σm_iC_i………………………………(6)

式中：

C_th——热容，单位J/K；

m_i——某种材料的质量，单位kg；

C_i——某种材料的比热，单位J/(kg·K)。

b)陀螺仪升温所需热量的计算

升温所需要的热量取决于仪表的工作温度和环境温度，见公式7：

                       Q＝C_th（T-T₀）…………………………(7)

式中：

Q——升温所需热量，单位J；

T——陀螺仪内的工作温度，单位K；

T₀——陀螺仪外(即惯组内陀螺仪周围)的环境温度，单位K。

c)陀螺仪散热量的计算

陀螺仪安装在惯组内的陀螺仪安装基座上，陀螺仪的热源（包括陀螺仪自身工作的功耗及其温控功率）通过与基座的热传导、与周围空气的热对流和向空间的热辐射来散热，其散热量可通过公式1、3、5计算。

可仿照电学原理把导热过程模拟成导电过程，则可用解电路的方法来解热回路问题。这种方法称为“电子网络”模拟法，模拟法中的热路欧姆定律见公式8：

$R_{\mathrm{th}}=\frac{\mathrm{\ΔT}}{Q}$ …………………………………………(8)

在半导体器件中消耗的电功率将绝大部分转变成热能，然后由热路散发出去。因此，在表达衡量热路散热性能的热阻时，用陀螺仪的耗散功率来代替热流更为直观，于是公式7可写成公式9：

$R_{\mathrm{th}}=\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{Pc}}$ …………………………………………(9)

d)陀螺仪加热功率和加热时间的计算

在陀螺仪结构参数一定的条件下，提高加热功率可使加热时间缩短，但加热功率过大易造成局部过热，且升温速率过快对陀螺仪内部的某些材料和器件不利，因此应在温控稳定时间允许的条件下合理设计加热功率的大小。单位时间输入陀螺仪内部的热量等于陀螺仪吸收的热量和散失热量的总和。对于一个挠性陀螺仪，单位时间输入的热量为其内部马达、力矩器等发出的热量和温控加热器发出的热量，见公式10：

$P=C_{\mathrm{th}}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}+\frac{T-T_0}{R_{\mathrm{th}}}$ ……………………………(10)

在初始条件T(0)=T₀时，公式9的解见公式11：

$T\left(t\right)={\mathrm{PR}}_{\mathrm{th}}(1-e^{-\frac{t}{R_{\mathrm{th}}{C}_{\mathrm{th}}}})+T_0$ …………………(11)

式中：

R_th C_th=τ₀为陀螺仪的热时间常数，单位S。

由式(11)可解出所需的加热时间t，见公式12：

$t=-\left(R_{\mathrm{th}}{C}_{\mathrm{th}}\right)\ln (1-\frac{T_r}{{\mathrm{PR}}_{\mathrm{th}}})$ ……………………(12)

式中：T_r=T-T₀

在陀螺仪的热参数不变的情况下，给定温差T_r和加温功率P后，就可算出所需的加温时间。

本发明的三级温控系统温控惯性测量系统由陀螺仪和加速度计组成，第一级温控系统、第二级温控系统和第三级温控系统均采用PWM温控方式，每一级温控系统由电加温器、温度传感器、测温电桥、校正网络、比较器、功率放大器和三角波发生器组成，如图1所示，第一级温控系统中的电加热器和温度传感器设置在惯性测量系统的箱体上，第二级温控系统中的电加热器和温度传感器设置在惯性测量系统的安装台体上，第三级温控系统中的电加热器和温度传感器设置在惯性测量系统的惯性仪表上，如图2所示，第一级温控系统、第二级温控系统和第三级温控系统中的温度传感器对箱体、安装台体和惯性仪表的温度进行测量，温度传感器的测量结果与温度设定值所对应的电信号作为测温电桥的两个桥臂，测温电桥的输出结果经过校正网络进行校正，比较器对校正网络输出的信号与三角波发生器产生的基准信号进行比较，比较结果经功率放大器放大后控制电加热器的开关。

当惯性测量系统开始工作时，三级温控同时开始工作，在初始温度实际值与预定温度稳定值偏差较大时，先进入全功率加温，当各级温控值接近其预定温度稳定值时，三级温控进入温控调整过程，使惯性仪表稳定在最佳工作温度，该温控方法具有较高的温控精度、可靠性、热环境适应性、抗干扰能力和快速稳定性，缩短了热平衡时间，提高了惯性测量系统精度，对惯性测量系统的温控方法和工程应用具有重要的理论和应用意义。

PWM温控方式的电路结构一般由测温电桥、差动比较放大器、校正网络、功率放大器等部分组成，可按被控体温度与温度设定值之差的大小连续地调节相应加热器的电流。由于被控体向外散热，通过电加热达到的热平衡温度总是略低于设定温度。这种温度偏差（静态偏差）与被控体的散热状况及温控电路的放大倍数有关：环境温度越低（即与设定温度差值越大），散热量越大则温度偏差越大；放大倍数越小则温度偏差也越大。为减少静态偏差可提高放大倍数，增强调节作用，但放大倍数过大又会引起放大器产生振荡，造成调节过程不稳定（动态稳定性差）。定频脉冲调宽控制(PWM)中调节加热器功率大小的功率管工作在饱和导通或截止的开关状态，可在零加温功率和全加温功率的范围内自动控制加热功率的变化，温控效率较高、耗损很小，适用于需要功率较大的温度控制，但其缺点是脉冲电流产生的电磁干扰较大。图2中，温度传感器构成测温电桥的一个桥臂，测温电桥采用直流，温度传感器电桥的失衡信号经电压放大和校正后，加到比较器的一个输入端，而三角波发生器的输出信号则加在比较器的另一输入端，两路信号经过比较后产生调宽方波，其波形宽度与电桥输出信号成比例，功率输出级受该调宽方波的控制，即加热功率可随电桥的输出电压自动调节。

第一级温控系统、第二级温控系统和第三级温控系统也可以采用数字PID（比例积分微分校正）温控方，即可解决静态精度和动态稳定性的矛盾，又可加速过程稳定。该种温控方式如图3所示，每一级温控系统由A/D转换器、微型计算机、D/A转换器、功率放大器、电加热器和温度传感器组成，第一级温控系统、第二级温控系统和第三级中的温度传感器对箱体、安装台体和惯性仪表的温度进行测量，通过A/D转换器转化为数字量输入微型计算机，微型计算机通过数字PID控制算法进行运算产生数字量控制信号，数字量控制信号通过D/A转换器转换成模拟量控制信号，模拟量控制信号经功率放大器放大后控制电加热器的开关。

由于模糊控制（非线性控制）的精度低于PID控制（线性控制），因此在初始温度实测值与预定温度稳定值偏差较大时，采用模糊控制方法，先进入全功率加温状态，再由条件满足的程度推出模糊控制输出的大小，无需进行PID运算，以加快升温过程，缩短加温时间；在实测温度值接近预定温度稳定值时，采用数字PID算法以提高温控精度，数字PID温控方框图见图2，控制算法如公式13所示： $U=K_p(e+\frac{1}{T_1}\∫\mathrm{edt}+T_D\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}})---\left(13\right),$ 式中e为测量值与给定值之间的偏差，T_D为微分时间，T₁为积分时间，K_p为PID调节器的方法系数。

由于惯组安装在飞机（或箭体、卫星、弹体）上，供电电源的功率受到限制，因此惯组温控的最大加温功率受到限制。若温控稳定值设得太高，则将需要较大的温控功耗，并降低元器件的使用寿命，在低温工况下不易满足快速达到温控稳定值的要求；若温控稳定值设得低于最高环境温度，在高温工况下当无制冷装置时，由于惯组内的自热功耗产生的温漂，在高温工况下可造成惯性仪表的输出慢漂。为解决这一矛盾，第一、第二和第三级温控系统还可以包括风扇、半导体制冷或相变材料用于温度控制，可将温控稳定值设置为两档，如当环境温度在-40℃～+30℃范围时和在+30℃～+52℃范围时，但这种方法增加了测试标定的工作量，且不适于环境温度大范围变化的使用条件。多级温控各级之间的温控稳定值要有一定梯度，使在全温度范围内各级温控应在工作区，以避免温控失控。

通过对惯性仪表的发热计算以及电路设计，可以组成完整的三级温控电路，通过对惯性仪表中的陀螺仪进行温控测试，得到陀螺仪输出脉冲数曲线，绘制如图4所示的曲线示意图，从图中可以看出，不加温控和只加外部温控，需要非常长的时间，陀螺才能稳定输出，通过三级加温可以最快速的稳定陀螺仪的输出，并且比只给陀螺仪加温稳定速度更快，陀螺仪输出更为稳定。

以无人机X轴陀螺仪在原先两级温控和现有三级温控条件下，根据陀螺仪输出曲线绘制如图5和图6，从图中可以看出，X轴陀螺在原有的温控条件下，需要25分钟的加热稳定时间，从图6中可以看出，X轴陀螺在三级温控条件下，可以缩短到18分钟的加热稳定时间，加快了加温速度，缩短了加温时间，为武器的快速反应能力给予支持。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种惯性测量系统三级温控系统，惯性测量系统由陀螺仪和加速度计组成，其特征在于：第一级温控系统、第二级温控系统和第三级温控系统均采用PWM温控方式，每一级温控系统由电加温器、温度传感器、测温电桥、校正网络、比较器、功率放大器和三角波发生器组成，第一级温控系统中的电加热器和温度传感器设置在惯性测量系统的箱体上，第二级温控系统中的电加热器和温度传感器设置在惯性测量系统的安装台体上，第三级温控系统中的电加热器和温度传感器设置在惯性测量系统的惯性仪表上，第一级温控系统、第二级温控系统和第三级温控系统中的温度传感器对箱体、安装台体和惯性仪表的温度进行测量，温度传感器的测量结果与温度设定值所对应的电信号作为测温电桥的两个桥臂，测温电桥的输出结果经过校正网络进行校正，比较器对校正网络输出的信号与三角波发生器产生的基准信号进行比较，比较结果经功率放大器放大后控制电加热器的开关。

2.根据权利要求1所述的一种惯性测量系统三级温控系统，其特征在于：所述第一级温控系统、第二级温控系统和第三级温控系统也可以采用数字PID温控方式。

3.根据权利要求2所述的一种惯性测量系统三级温控系统，其特征在于：所述每一级温控系统由A/D转换器、微型计算机、D/A转换器、功率放大器、电加热器和温度传感器组成，第一级温控系统、第二级温控系统和第三级中的温度传感器对箱体、安装台体和惯性仪表的温度进行测量，通过A/D转换器转化为数字量输入微型计算机，微型计算机通过数字PID控制算法进行运算产生数字量控制信号，数字量控制信号通过D/A转换器转换成模拟量控制信号，模拟量控制信号经功率放大器放大后控制电加热器的开关。

4.根据权利要求1所述的一种惯性测量系统三级温控系统，其特征在于：所述第一、第二和第三级温控系统还可以包括风扇、半导体制冷或相变材料用于温度控制。

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