CN103488216B - 一种太阳能电池板温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于航天器太阳电池板热真空试验的温度控制方法，它以电池板表面温度为控制对象，以红外灯阵作为加热器。该控制方法在标准PID算法的基础上，通过建立红外灯电流-功率的稳态与动态模型；整定不同温度下比例、积分、微分参数；分段给定算法目标曲线；采用二维插值方法提高控制均匀度；引入神经网络模型预报试件表面温度。实现了航天器太阳电池板热真空试验电池板表面温度的均匀、速率可调及高精度控制。

Description

一种太阳能电池板温度控制方法

技术领域

本发明属于太阳电池板地面试验领域，具体涉及一种用于航天器太阳电池板温度控制方法。

背景技术

航天器的能源要靠太阳电池板来供给，为保证空间环境下能正常工作，太阳电池板都需要做热真空试验，以在规定的压力与温度条件下暴露其材料和工艺缺陷。电池板热真空试验中使用红外灯阵对电池板进行加热，通过程控电源驱动红外灯对电池板表面进行加热。使用热电偶采集太阳电池板表面温度与设定目标温度对比，计算控制量。进行闭环控制。

现有温度控制方法，采用的是固定参数PID算法，目前该方法存在如下问题：

(1)由于在不同温度下控制器与电池板特性不同，因此使用固定参数的控制算法会造成控制超调、震荡。特别是当红外灯工作在小电流状态下，其滞后性较强，更易导致控制出现超调与震荡。

(2)目前控温方法无法实现电池板按给定速率升、降温。而试验对升、降温速率上下限做了严格要求。

(3)在试验过程中电池板表面温度均匀性差。

综上所述，目前温度控制方法控制品质较低。为满足试验要求，避免出现超调、震荡，需要试验人员根据经验对控制程序参数进行实时手动调节。导致试验质量不能从根本上得到保证。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种太阳电池板温度控制方法，以克服现有技术中的缺陷与不足。使其具备目标温度控制无超调，升、降温速率可设，控制过程温度均匀性好的能力。为实现上述目标，本发明提供如下技术方案：

本发明提出的一种太阳电池板温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)使用红外灯阵对电池板表面温度进行分区控制，同一控制区内，多盏红外灯对应一个温度测点，其中，控制区内与测点距离最近的红外灯作为主控灯；

(2)控制所述主控灯的工作电流；

(3)以所述主控灯的工作电流驱动程控电源给主控灯供电，控制电池板表面温度；

(4)根据各控制区主控灯电流及控制区内其它红外灯与各主控红外灯的距离，计算得出其它红外灯的工作电流。

优选的，控制所述主控灯的工作电流的步骤还包括：

(21)设定最终控制目标值；

(22)设定目标温度曲线，根据所述目标温度曲线，及上一周期的计算目标值得到本周期的计算目标值；

(22)采集电池板表面温度，建立神经网络模型，根据当前及历史的温度值与电流值预测得出的下一采样周期的电池板表面温度；

(23)比较所述预测得出的下一采样周期的电池板表面温度与计算目标值之间的偏差，获取偏差量，对所述偏差值进行PID运算和处理，得到相应控制量增量；

(24)读取上一控制周期电流值，输入红外灯电流-功率模型，得到上一周期控制量将其与本周期计算得到的控制增量相加，输入红外灯功率-电流模型，得到本周期主控灯的工作电流。

优选的，所述PID运算的比例、积分、微分参数通过拟合电池板表面若干温度点整定出的参数值，在控制过程中，以最终设定目标值作为函数自变量，得到比例、积分、微分参数。

优选的，所述的目标温度曲线分为两个阶段，第一阶段是在当前温度与最终控制目标差值较大时，设定目标值按恒定速率上升或下降；第二阶段是在当前温度与最终控制目标值差值较小时，设定目标值为一上升或下降速率按指数衰减的曲线，用下式表示：

y=r-yt+yt*[1-exp(-t／T)]

式中，y为第二阶段的设定目标值，r为最终控制目标值；yt表示进入第二阶段时实际温度与最终控制目标值的差值；t为第二阶段进行时间，T为时间常数。

优选的，所述神经网络模型使用三层前向神经网络读取控制系统历史温度数据、电流数据进行离线与在线训练，建立模型，实现温度预测。

优选的，所述的控制量为红外灯输出功率的四分之一次方，这是由于在试验进行的真空、冷黑环境中试件热平衡状态用下式表示：

式中α为试件表面对红外灯辐射吸收比，为试件相对于红外灯角系数，P为红外灯输出功率，ε为电池板发射率，σ为斯蒂芬-波尔曼常数，T为试件表面温度。对于试件来说，输入为电池板表面到达热流，输出为温度，为使系统输入输出特性趋于线性，根据上式，选取控制量为功率的四分之一次方。

优选的，所述的红外灯电流-功率模型和红外灯功率-电流模型，是通过在真空、冷黑环境下对红外灯进行阶梯测试，对各阶梯电流对应稳态功率进行拟合得到的。

优选的，所述其它红外灯的工作电流通过二维插值的方法得到。

优选的，该控制方法用于航天器太阳电池板热真空试验。

本发明与现有温度控制方法相比本发明具有以下特点和有益技术效果：

(1)本发明所提出的航天器太阳电池板温度控制方法，采用分区控制。同一控制区内只有与测点距离最近的主控灯使用控制算法计算输出电流，其余红外灯输出电流按二维插值方法计算得出。使得试验过程中，电池板表面温度均匀好。

(2)本发明所提出的PID算法偏差值根据当前计算目标值与神经网络模型预测得到的下一周期温度相减得出。该方法，规避了温度采集滞后的问题，对控制效果的影响。

(3)本发明所提出的航天器太阳电池板温度控制方法，其目标温度曲线上升／下降速率可设，实际温度速率与目标温度速率相同。因此使得该控制方法具备升、降温速率可设的能力。

(4)本发明所提出的航天器太阳电池板温度控制方法，控制器比例、积分、微分参数根据最终控制目标值的不同而变化。该方法解决了电池板表面不同温度状态下被控系统特性差异较大的问题，实现了无超调控制。解决了原方法需要对控制参数频繁进行手动调节的问题。

(5)本发明所提出的航天器太阳电池板温度控制方法，建立了红外灯电流-功率模型。对控制系统线性化提供了保障，特别是解决了红外灯在冷态环境中，小电流工作状态下滞后性较强的问题。克服了原方法在控制较低目标温度时由于系统滞后导致的控制不稳定的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍

图1为本发明的航天器太阳电池板温度控制系统示意图；

图2为本发明的航天器太阳电池板温度控制方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明公开了一种太阳电池板热温度控制方法，以解决现有技术中温度控制方法需要人为频繁手动调节参数，无法设置升、降温速率的问题。

实施例

本发明公开的电池板热真空试验温度控制方法的控制系统如图1所示，包括：

步骤S11：给定控制目标值和升降温速率。

步骤S12：经控制算法计算得到红外灯工作电流。

步骤S13：根据步骤S12计算得到的红外灯工作电流，调节程控电源输出电流。

步骤S14：程控电源驱动红外灯阵，对电池板表面施加相应热流。

步骤S15：太阳电池板受红外灯阵输出热流影响，表面温度产生变化。

步骤S16：由于电池板表面温度的变化导致其表面固定的温度传感器相应物理量产生变化

步骤S17：数采仪器采集温度传感器相应物理量，并将模拟量转变为数字量提供给控制算法。

本发明公开的电池板热真空试验温度控制方法，采用分区控制电池板表面温度的方法。同一控制区内，多盏红外灯对应一个温度测点，构成一个闭环控制的对象。控制区内与测点距离最近的红外灯为主控灯，其控制方法参阅图2所示。其它红外灯根据与测点邻近红外灯施加的电流及各自与测点邻近红外灯的距离，通过二维插值的方法计算得出。

参阅图2所示为控制区内与测点距离最近红外灯温度控制方法的流程图。它的计算包括以下步骤：

步骤S21：设定最终控制目标值。

步骤S22：设定升、降温过程曲线，即目标温度曲线，曲所述的目标温度曲线分为两个阶段，第一阶段是在当前温度与最终控制目标差值较大时，设定目标值按恒定速率上升或下降；第二阶段是在当前温度与最终控制目标值差值较小时，设定目标值为一上升或下降速率按指数衰减的曲线，用下式表示：

y=r-yt+yt*[1-exp(-t／T)]

式中，y为第二阶段的设定目标值，r为最终控制目标值；yt表示进入第二阶段时实际温度与最终控制目标值的差值；t为第二阶段进行时间，T为时间常数。

步骤S23：根据所述目标温度曲线，及上一周期的计算目标值得到本周期的计算目标值。

步骤S24：根据在真空、冷黑环境中，拟合电池板不同表面温度下整定得出的比例、积分、微分参数值建立的比例、积分、微分值与温度函数关系。以计算得目标值做为函数自变量，得到比例、积分、微分参数。

步骤S25：根据比例、积分、参数及计算得到的偏差值，进行PID运算，得到控制量增量，得到的控制量增量量纲为功率的四分之一次方，这是由于在试验进行的真空、冷黑环境中试件热平衡状态用下式表示：

式中α为试件表面对红外灯辐射吸收比，为试件相对于红外灯角系数，P为红外灯输出功率，ε为电池板发射率，σ为斯蒂芬-波尔曼常数，T为试件表面温度。对于试件来说，输入为电池板表面到达热流，输出为温度，为使系统输入输出特性趋于线性，根据上式，选取控制量为功率的四分之一次方。

步骤S26：读取上一控制周期控制电流值

步骤S27：将上一周期控制电流输入红外灯电流-功率模型，得到其上一周期红外灯输出功率的四分之一次方。

步骤S28：将上一周期输出功率的四分之一次方与本周期计算得到的控制增量相加，输入红外灯功率-电流模型，得到本周期红外灯所需施加的电流。

步骤S29：程控电源按指令输出电流，驱动红外灯。

步骤S210：红外灯施放热流，电池板表面温度根据热流的改变而变化。

步骤S211：温度传感器采集电池板表面温度。

步骤S212：通过历史温度数据与电流数据离线训练建立的神经网络模型。根据施加的电流、温度、及温度变化量预测下一周期温度并在线训练，调整神经网络的权值。以计算目标与预测温度的差值做为偏差量提供给PID算法。

Claims (7)

1.一种太阳能电池板的温度控制方法，包括以下步骤：

(1)使用红外灯阵对电池板表面温度进行分区控制，同一控制区内，多盏红外灯对应一个温度测点，其中，控制区内与测点距离最近的红外灯作为主控灯；

(2)控制所述主控灯的工作电流；

(3)以所述主控灯的工作电流驱动程控电源给主控灯供电，控制电池板表面温度；

(4)根据各控制区主控灯电流及控制区内其它红外灯与各主控红外灯的距离，计算得出其它红外灯的工作电流；

其中，控制所述主控灯的工作电流的步骤还包括：

(21)设定最终控制目标值；

(22)设定目标温度曲线，根据所述目标温度曲线，及上一周期的计算目标值得到本周期的计算目标值；

(23)采集电池板表面温度，建立神经网络模型，根据当前及历史的温度值与电流值预测得出下一采样周期的电池板表面温度；

(24)比较所述预测得出的下一采样周期的电池板表面温度与计算目标值之间的偏差，获取偏差量，对所述偏差值进行PID运算和处理，得到相应控制量增量；

(25)读取上一控制周期电流值，输入红外灯电流-功率模型，得到上一周期控制量将其与本周期计算得到的控制增量相加，输入红外灯功率-电流模型，得到本周期主控灯的工作电流，其中，所述的红外灯电流-功率模型和红外灯功率-电流模型，是通过在真空、冷黑环境下对红外灯进行阶梯测试，对各阶梯电流对应稳态功率进行拟合得到的。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池板的温度控制方法，其特征在于，所述PID运算的比例、积分、微分参数通过拟合电池板表面若干温度点整定出的参数值，在控制过程中，以最终设定目标值作为函数自变量，得到比例、积分、微分参数。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池板的温度控制方法，其特征在于，所述的目标温度曲线分为两个阶段，第一阶段是在当前温度与最终控制目标差值较大时，设定目标值按恒定速率上升或下降；第二阶段是在当前温度与最终控制目标值差值较小时，设定目标值为一上升或下降速率按指数衰减的曲线，用下式表示：y＝r-yt+yt*[1-exp(-t/T)]

式中，y为第二阶段的设定目标值，r为最终控制目标值；yt表示进入第二阶段时实际温度与最终控制目标值的差值；t为第二阶段进行时间，T为时间常数。

4.根据权利要求1所述的太阳能电池板的温度控制方法，其特征在于，所述神经网络模型使用三层前向神经网络读取控制系统历史温度数据、电流数据进行离线与在线训练，建立模型，实现温度预测。

5.根据权利要求1所述的太阳能电池板的温度控制方法，其特征在于，所述的控制量为红外灯输出功率的四分之一次方。

6.根据权利要求1所述的太阳能电池板的温度控制方法，其特征在于，所述其它红外灯的工作电流通过二维插值的方法得到。

7.根据权利要求1所述的太阳能电池板的温度控制方法，其特征在于，该控制方法用于航天器太阳电池板热真空试验。