CN103676904A - 一种高精度温度与磁场综合发生与控制装置 - Google Patents

一种高精度温度与磁场综合发生与控制装置 Download PDF

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Abstract

一种高精度温度与磁场综合发生与控制装置，包括：中央控制模块（1）、制冷机组（2）、热交换器（5）、加热棒组（4）、中转温箱（8）、循环风机（9）、保温箱（7）、赫姆霍兹线圈（11）、电流传感器（17）以及三个温度传感器；本发明通过将中转温箱（8）与保温箱（7）分离，将温控系统与磁场产生系统分离控制，减小了磁场与温度控制系统的互相影响，提高了系统温度与磁场控制精度；同时，中转温箱与保温箱之间的软管连接，可以让保温箱放置于距离中央控制模块，中转温箱等其他结构一定距离的位置，方便在辐照试验场内开展实验，实现高精度可控温度磁场及辐照场多物理场叠加试验。

Description

一种高精度温度与磁场综合发生与控制装置
技术领域
本发明涉及模拟外空间环境的温度与磁场的产生与控制方法，属于测试与控制领域。
背景技术
空间环境是由多个物理场组合叠加形成的复杂环境。在空间中运行的飞行器及其零部件会受到空间中各个物理场的影响，其中最主要的就是交变温度场以及磁场，在地面环境中，模拟产生与空间环境相似的偶合多物理场环境，有助于对优化空间飞行器的设计，考核空间用零部件性能。
目前，对于单独温度或者磁场的发生与控制方法已经发展的十分成熟，但是由于温度场与磁场的发生控制装置，在一定程度上会互相影响，因此对于温度、磁场组合叠加场的产生与控制具很高的难度，从而对于高精度温变及磁场控制的研究则十分少见。
发明内容
本发明的技术解决问题：为了解决在地面模拟产生近似空间环境的多物理场偶合测试环境的问题，本发明提供一种高精度温度与磁场综合发生装置，该装置能够在一定范围内同时提供受控变化的温度场及磁场，并且具备相对较高的控制精度。
本发明的技术解决方案：一种高精度温度与磁场综合发生与控制装置，其包括：制冷机组、热交换器、加热棒组、中转温箱、循环风机、保温箱、赫姆霍兹线圈、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、电流传感器以及中央控制模块；中央控制模块包括数字温度控制单元和模拟电路磁场控制单元;中转温箱内的加热棒组、热交换器以及与热交换器相连接的制冷机组都连接在中央控制模块上控制中转温箱内的气温；中转温箱与保温箱之间通过两条软管相连通，并通过循环风机进行气体快速循环，使中转温箱内经过温控的气体来完成对保温箱内温度的控制；置于保温箱的第二温度传感器和第三温度传感器、电流传感器与中转温箱内的第一温度传感器连接在中央控制模块上，数字温度控制单元通过控制制冷机组与加热棒组的电源的启停，完成对保温箱及中转温箱内温度的控制；同时，赫姆霍兹线圈置于保温箱内部，在保温箱内产生磁场；模拟电路磁场控制单元通过控制流过赫姆霍兹线圈的电流，完成对保温箱内磁场强度的控制。
所述中央控制模块中数字温度控制单元对温度控制的步骤如下：
（1）中央控制模块中数字温度控制单元通过中转温箱内第一温度传感器的温度T1、保温箱内第二温度传感器的温度T2、和保温箱内第三温度传感器的温度T3，计算出T1、T2、T3的温度导数dT1、dT2、dT3；
（2）将步骤（1)得到的T1、T2、T3、dT1、dT2、dT3输入经过BP算法训练过的三层结构的神经网络，该神经网络包括三层，分别为输入层、隐层和输出层，输入为温度参数T1、T2、T3、dT1、dT2、dT3，输出为加热控制比例系数K1、制冷控制比例系数K2；
（3）利用步骤（2)获得的加热控制比例系数K1对加热棒组的驱动电流进行控制，控制方程如下：
IO=II×K1
式中II表示加热棒组最大驱动电流；IO表示加热棒组实际驱动电流；
（4）利用步骤（2)获得的制冷控制比例系数K2对制冷机组的转速进行控制，控制方程如下：
CO=CI×K2
式中CI为制冷机组最大工作转速，CO为制冷机组实际工作转速。
所述中央控制模块中模拟电路磁场控制单元包括PID调节电路、PWM发生电路、IGBT驱动电路、半桥逆变电路、整流滤波电路、降压变压器和二次整流滤波，对保温箱内磁场进行控制的步骤如下：
（1)将电流传感器采集到的驱动赫姆霍兹线圈电流If以及设定电流值Ig输入模拟PID调节电路，输出PM值；
（2)将步骤（1)中PID调节电路输出值PM送到PWM发生电路的输入，动态调节PWM发生电路输出脉宽调试信号；
（3)利用步骤（2）中PWM发生电路产生的脉宽调试信号通过IGBT驱动电路驱动半桥逆变电路，对经过输入为AC220V的整流滤波电路整流滤波后的电流进行控制；
（4)将步骤（3)输出的电流，输入降压变压器，输出降压变压后的电流；
（5)将步骤（4)输出的降压变压后的电流进行二次整流滤波后，输出至赫姆霍兹线圈，利用经过二次整流滤波后的电流，驱动赫姆霍兹线圈，以控制磁场强度。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
（1）通过将中转温箱与保温箱分离，将温控系统与磁场产生系统分离控制，减小了磁场与温度控制系统的互相影响，提高了系统温度与磁场控制精度。
（2）中转温箱与保温箱之间的软管连接，可以让保温箱放置于距离中央控制模块，中转温箱等其他结构一定距离的位置，方便在辐照试验场内开展实验，实现高精度可控温度磁场及辐照场多物理场叠加试验。
附图说明
图1高精度温度与磁场综合发生与控制装置系统结构图；
图2中转温箱侧板通气圆孔及制冷剂开孔位置示意图；
图3中转温箱侧板内部换热器安装尺寸；
图4中转温箱底板内部加热棒组分布；
图5神经网络控制原理图；
图6温度控制系统的控制结构图。
具体实施方式
本发明的基本思路为将温控系统与磁场产生系统分离控制，减小了磁场与温度控制系统的互相影响，提高了系统温度与磁场控制精度；同时，中转温箱与保温箱之间的软管连接，可以让保温箱放置于距离中央控制模块，中转温箱等其他结构一定距离的位置，方便在辐照试验场内开展实验，实现高精度可控温度磁场及辐照场多物理场叠加试验，以下为一种优选的方案：
如图1包括：1-中央控制模块，2-制冷机组，3-中转温箱温度传感器，4-加热棒组，5-换热器，6-保温箱温度传感器，7-保温箱，8-中转温箱，9-循环风机，10-软管，11-赫姆霍兹线圈，16-第三温度传感器、17-电流传感器。
中转温箱8及保温箱7均为内部尺寸为500mm×500mm×500mm壁厚为8mm的铝制箱体，顶部开盖，盖板为516mm×516mm厚度为8mm的盖板，在箱体内部紧贴内壁均匀布有厚度为20mm的酚醛板作为保温层13。由此，中转温箱8及保温箱7的内部有效使用空间实际为460mm×460mm×460mm。
在中转温箱8的一个侧面，开有两个直径为40mm的通气圆孔，用于连接软管10，位置正好位于侧面板的对角线处，如图2所示。其中，位置较低的圆孔为出气口，位置较高的圆孔为回气口，在出气口处，安装有风量超过30L/min(常压)的循环风机9，以便为空气从中转温箱8通过软管10到保温箱7，再通过软管10返回中转温箱8的整个气体循环回路提供气体循环动力。
在中转温箱8的另外一个侧面酚醛板内侧，安装有用内径5mm黄铜管(14)盘制的换热器5，其尺寸如图3所示，图3包括：12-箱体壁，13-保温层，14-黄铜管。换热器5与安装于中转温箱8外部的制冷机组2相连接，可通过制冷机组使中转温箱8内部空气降温，为了实现中转温箱8内部气温的快速降低，制冷机组2最好选用功率在2000w以上。
在中转温箱8底部，安装有8只总功率为1000w的电阻式加热棒15，组成加热棒组4，加热棒组4工作时，可以使中转温箱8内空气温度上升。为了使得加热均匀，其分布如图4所示，图4包括：12-箱体壁，13-保温层，15-加热棒。
在保温箱7的一侧板上也开有两个直径为40mm的通气圆孔，用于连接软管10。圆孔位置与中转温箱8侧板上的通气圆孔位置相同，其中，靠上部的通气圆孔用于安装由中转温箱8向保温箱7输出气体的软管，而靠底部的通气圆孔用于连接由保温箱7向中转温箱8返回气体的软管。
在保温箱7内部，安装有用直径1mm的铜线绕制成为长宽均为440mm，高度150mm，厚度10mm的正方形赫姆霍兹线圈11一对。安装位置位于保温箱顶部与底部，可以在保温箱内部产生相对比较均匀的电磁场。上线圈与保温箱7顶部平齐，下线圈与保温箱7底部平齐。
在保温箱7内部顶盖中央安装有第二温度传感器6、第三温度传感器16，中转温箱8内部顶盖中央安装有第一温度传感器3，分别用于实时测量保温箱7与中转温箱8内部的气温。第一温度传感器3、第二温度传感器6、第三温度传感器16均为Pt1000型铠装铂金电阻温度传感器。
第一温度传感器3、第二温度传感器6、第三温度传感器16、循环风机9、加热棒组4、制冷机组2以及赫姆霍兹线圈11均通过电缆与中央控制模块1相连接，通过中央控制模块1对以上设备进行供电、信号采集与控制，中央控制模块1由数字温度控制单元与模拟电路磁场控制单元组成。
为了实现高精度的温度控制，数字温度控制单元采用了双闭环反馈温度控制结构，结合利用神经网络，如图5，实现对数字温度控制单元的控制方法，最终实现温度变化范围-20℃至+55℃可调，温度控制精度±1℃，温变速率0.05至0.5℃/min可调的高精度温度控制。
所述中央控制模块1中数字温度控制单元对温度控制的步骤如下：
（1）中央控制模块1中数字温度控制单元通过中转温箱8内第一温度传感器3的温度T1、保温箱7内第二温度传感器6的温度T2、和保温箱7内第三温度传感器16的温度T3，计算出T1、T2、T3的温度导数dT1、dT2、dT3；
（2）将步骤（1)得到的T1、T2、T3、dT1、dT2、dT3输入经过BP算法训练过的三层结构的神经网络，该神经网络包括三层，分别为输入层、隐层和输出层，输入为温度参数T1、T2、T3、dT1、dT2、dT3，输出为加热控制比例系数K1、制冷控制比例系数K2；
（3）利用步骤（2)获得的加热控制比例系数K1对加热棒组驱动电流进行控制，控制方程如下：
IO=II×K1
式中II表示加热棒组最大驱动电流；IO表示加热棒组实际驱动电流；
（4）利用步骤（2)获得的制冷控制比例系数K2对制冷机组转速进行控制，控制方程如下：
CO=CI×K2
式中CI为制冷机组最大工作转速，CO为制冷机组实际工作转速。
同时，模拟电路磁场控制单元如图6所示采用电流反馈控制，最终实现了磁场强度最大20Gs，稳定度1%的可控磁场。
所述中央控制模块1中模拟电路磁场控制单元包括PID调节电路、PWM发生电路、IGBT驱动电路、半桥逆变电路、整流滤波电路、降压变压器和二次整流滤波，对保温箱内磁场进行控制的步骤如下：
（1)将电流传感器17采集到得驱动赫姆霍兹线圈电流If以及设定电流值Ig输入模拟PID调节电路，输出PM值；
（2)将步骤（1)中PID调节电路输出值PM输入PWM发生电路的输入，动态调节PWM发生电路输出脉宽调试信号；
（3)利用步骤（2）中PWM发生电路产生的脉宽调试信号通过IGBT驱动电路驱动半桥逆变电路，对经过输入为AC220V的整流滤波电路整流滤波后的电流进行控制；
（4)将步骤（3)输出的电流，输入降压变压器，输出降压变压后的电流；
（5)将步骤（4)输出的降压变压后的电流进行二次整流滤波后，输出至赫姆霍兹线圈，利用经过二次整流滤波后的电流，驱动赫姆霍兹线圈，以控制磁场强度。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (3)

1.一种高精度温度与磁场综合发生与控制装置，其特征在于包括：制冷机组（2）、热交换器（5）、加热棒组（4）、中转温箱（8）、循环风机（9）、保温箱（7）、赫姆霍兹线圈（11）、第一温度传感器（3）、第二温度传感器（6）、第三温度传感器（16）、电流传感器（17）以及中央控制模块（1）；中央控制模块（1）包括数字温度控制单元和模拟电路磁场控制单元;中转温箱（8）内的加热棒组（4）、热交换器（5）以及与热交换器（5）相连接的制冷机组（2）都连接在中央控制模块（1）上控制中转温箱（8）内的气温；中转温箱（8）与保温箱（7）之间通过两条软管相连通，并通过循环风机（9）进行气体快速循环，使中转温箱（8）内经过温控的气体来完成对保温箱（7）内温度的控制；置于保温箱（7）的第二温度传感器（6）和第三温度传感器（16）、电流传感器（17）与中转温箱内的第一温度传感器（3）连接在中央控制模块（1）上，数字温度控制单元通过控制制冷机组（2）与加热棒组（4）的电源的启停，完成对保温箱（7）及中转温箱（8）内温度的控制；同时，赫姆霍兹线圈（11）置于保温箱（7）内部，在保温箱（7）内产生磁场；模拟电路磁场控制单元通过控制流过赫姆霍兹线圈的电流，完成对保温箱（7）内磁场强度的控制。
2.根据权利要求1所述的一种高精度温度与磁场综合发生与控制装置，其特征在于所述中央控制模块（1）中数字温度控制单元对温度控制的步骤如下：
（1）中央控制模块（1）中数字温度控制单元通过中转温箱（8）内第一温度传感器（3）的温度T1、保温箱（7）内第二温度传感器（6）的温度T2、和保温箱（7）内第三温度传感器（16）的温度T3，计算出T1、T2、T3的温度导数dT1、dT2、dT3；
（2）将步骤（1)得到的T1、T2、T3、dT1、dT2、dT3输入经过BP算法训练过的三层结构的神经网络，该神经网络包括三层，分别为输入层、隐层和输出层，输入为温度参数T1、T2、T3、dT1、dT2、dT3，输出为加热控制比例系数K1、制冷控制比例系数K2；
（3）利用步骤（2)获得的加热控制比例系数K1对加热棒组（4）的驱动电流进行控制，控制方程如下：
IO=II×K1
式中II表示加热棒组（4）最大驱动电流；IO表示加热棒组（4）实际驱动电流；
（4）利用步骤（2)获得的制冷控制比例系数K2对制冷机组（2）的转速进行控制，控制方程如下：
CO=CI×K2
式中CI为制冷机组（2）最大工作转速，CO为制冷机组（2）实际工作转速。
3.根据权利要求1所述的一种高精度温度与磁场综合发生与控制装置，其特征在于所述中央控制模块（1）中模拟电路磁场控制单元包括PID调节电路、PWM发生电路、IGBT驱动电路、半桥逆变电路、整流滤波电路、降压变压器和二次整流滤波，对保温箱（7）内磁场进行控制的步骤如下：
（1)将电流传感器（17）采集到的驱动赫姆霍兹线圈电流If以及设定电流值Ig输入模拟PID调节电路，输出PM值；
（2)将步骤（1)中PID调节电路输出值PM送到PWM发生电路的输入，动态调节PWM发生电路输出脉宽调试信号；
（3)利用步骤（2）中PWM发生电路产生的脉宽调试信号通过IGBT驱动电路驱动半桥逆变电路，对经过输入为AC220V的整流滤波电路整流滤波后的电流进行控制；
（4)将步骤（3)输出的电流，输入降压变压器，输出降压变压后的电流；
（5)将步骤（4)输出的降压变压后的电流进行二次整流滤波后，输出至赫姆霍兹线圈（11），利用经过二次整流滤波后的电流，驱动赫姆霍兹线圈（11），以控制磁场强度。
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