CN106647873B - 大型航天器天线性能测试的吸波外热流模拟系统控温方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于大型航天器微波天线真空热试验中进行天线性能测试的吸波外热流模拟系统的控温方法，它以吸波箱内部劈尖表面温度为控制对象，以吸波箱外表面的薄膜加热器做为加热器，实现对安置在吸波箱内部天线的温度控制，该方法在多级PID算法的基础上，通过建立吸波材料表面温度‑天线表面到达热流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；采用模糊控制算法提高控制对象的平衡速度；引入神经网络模型预报试件表面温度。本发明实现了大型航天器微波天线热试验中天线温度的均匀、高效率及高精度控制，适用于大型微波天线真空热试验，提高试验测试有效性和覆盖性，也可适用于配备大型微波天线的航天器真空热试验。

Description

大型航天器天线性能测试的吸波外热流模拟系统控温方法
技术领域
本发明属于航天器大型微波天线地面真空热试验领域，具体来说，本发明涉及一种用于航天器大型微波天线在地面进行真空热试验所用的吸波外热流热模拟系统控温方法，用于提高模拟天线在轨外热流时的控温精度与效率。
背景技术
航天器真空热试验是在规定的真空与热循环条件下验证航天器各种性能与功能的试验。它是航天器正样研制阶段多项环境模拟试验中的重要试验之一。试验的主要目的是使航天器在真空与热循环条件下暴露航天器的材料和制造工艺缺陷、排除早期失效，从而大大提高了航天器在轨运行的可靠性。
在航天器热真空试验中，除了要模拟真空、低温条件，及对航天器上组件的温度进行控制外，还需要进行航天器性能综合测试，测试项目的覆盖性对于提高航天器研制质量，确保任务成功非常必要。
无线测试是指采用吸波材料来替代负载，与有线测试相比，无线测试更具有优势。测试状态真实，在测试时，通过可用于热真空试验的吸波材料吸收微波载荷天线阵面辐射发出的电磁波，不需破坏微波载荷天线的电缆连接状态，与在轨状态较一致；测试配套装备简单，在测试时，不再需要插拔上千束的电缆，只需要配套吸波装置即可；通用性强，吸波材料模块化的设计思路，可适应各种微波载荷的测试，不需要做额外的电缆配套工作。
吸波外热流模拟系统可推广到所有微波类载荷试验测试中，具有广阔的应用前景，对于提高航天器真空热试验技术水平，提高整星及分系统热试验测试的全面性及覆盖性具有重要意义。参见中国专利201610565163.3的用于大型平面微波天线真空热试验的吸波外热流模拟系统，该系统的控温是一个分级控制系统，通过控制吸波材料表面的温度，间接控制天线表面温度。
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吸波材料特性不同，且吸波材料热容较大，因此使用固定参数的控制算法会造成控制超调、震荡。
(2)由于吸波外热流模拟系统是一个分级控制系统，控制系统是通过实际控制对象与控制目标之间达到热平衡，来实现对控制目标的温度控制，这个过程具有较大的时滞性，且在控制过程中两者存在一定的温差。为了避免控制目标出现超调，采用现有的温度控制方法只能通过人工预判两者之间的温差，根据预判的温差设置一个安全的目标温度，当实际控制对象达到设定的目标温度后，再根据此时实际控制对象与控制目标之间的温差调整下一步的控制目标温度
(3)在试验过程中温度控制效率低，时间长。
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，本发明提供了一种针对用于航天器大型微波天线的在地面进行无线测试真空热试验用的吸波外热流模拟系统的温度控制方法，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，提高温度控制系统的控温效率。
为实现上述目标，本发明提供如下技术方案：
本发明提出的一种针对用于航天器大型微波天线的在地面进行无线测试真空热试验用的吸波外热流模拟系统的温度控制方法，包括以下步骤：
使用薄膜加热器对吸波材料和大型微波天线的表面温度进行分区控制，同一控制区内，多个薄膜加热器对应一个温度测点；
采集吸波材料表面与大型微波天线的天线温度；
每个控制区内相应的薄膜加热器控制方法为：
根据吸波材料表面与天线的热传递关系建立吸波材料表面温度-天线表面到达热流之间稳态与动态模型，并进行多次模拟试验对模型进行修正；
经吸波材料表面温度-天线表面到达热流之间稳态与动态模型计算出天线表面达到设定的到达热流时的吸波材料表面的温度；
经比例-积分-微分(PID)环节比较所述吸波箱温度与设定温度之间的偏差，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，控制量为加热器输所应输出功率的1/4次方；
将所得控制量输入薄膜加热器电流-功率模型，得出薄膜加热器的稳态工作于该功率下所对应的电流值；
以该电流值驱动程控电源给薄膜加热器供电，控制吸波材料表面温度。
优选的，PID算法的比例、积分、微分参数是通过拟合吸波材料表面若干温度点整定出的参数值，从而建立比例、积分、微分值与温度函数关系得出的。
优选的，通过模糊控制建立吸波箱加热系统启动阶段的控制方法来减少设定温度发生变化时控温算法的平衡时间。
进一步地，对-100℃-100℃进行分区，每10℃为一个分区，通过对吸波外热流模拟系统的调试试验得到吸波材料表面在某一温区内时对应分区薄膜加热器所施加的电流，设第j分区温度TFj对应的电流为IFj；假定天线处于某一平衡状态T0，此时更改天线的设定温度为T1,T1所处温区为m,T0所处温区为n,则设置该薄膜加热器启动电流IQ＝IFk，若m＝n或|m-n|＝1，则令启动电流等于当前电流，根据上述法则建立相应模糊规则与隶属度函数。
优选的，该控制方法所采用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/下降(该速率可设置)，并设定启动电流，第一阶段使用吸波材料表面温度作为控制系统的控制目标；第二阶段是在当前温度与最终控制目标差值较小时，设定目标值为一上升/下降速率按指数衰减的曲线，其可用下式表示：
y＝r-yt+yt*[1-exp(-t/T)]
式中，y为第二阶段的设定目标温度值，r为最终控制目标；yt表示进入第二阶段时实际温度与最终设定温度的差值；t为第二阶段进行时间，T为时间常数。第二阶段的使用天线表面温度作为控制系统的控制目标，目标值通过吸波材料表面温度-天线表面到达热流之间稳态与动态模型计算得到。
优选的，所述的PID环节计算偏差采用的吸波材料表面温度是指，通过神经网络建立控制系统模型，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吸波材料表面温度。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，实现试件温度预测。
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)本发明建立了薄膜加热器电流-功率模型。对控制系统补偿、校正提供了依据，特别是解决由于吸波材料热容较大，系统滞后性较强的问题。克服了原方法由于系统滞后导致的控制不稳定的问题。
(2)本发明所提出的针对用于航天器大型微波天线的在地面进行无线测试真空热试验用的吸波外热流模拟系统的温度控制方法，控制器比例、积分、微分参数根据设定目标值的不同而变化。且通过建立经吸波材料表面温度-天线表面到达热流之间稳态与动态模型，并选取多级PID对该控温系统进行控制，该方法解决了由于吸波材料表面与天线表面热交换时两者存在温差引起的超调与震荡，实现了目标温度的无超调控制。解决了原方法需要对控制参数频繁进行手动调节的问题。
(3)本发明所提出的针对用于航天器大型微波天线的在地面进行无线测试真空热试验用的吸波外热流模拟系统的温度控制方法，当前温度与最终控制目标差值较大时，可以通过模糊控制算法得到一个启动电流，可以提高系统在启动时的控温速度，并使其升降温速率满足一定的要求，因此使得该控制方法具备快速升降温的能力。
(4)本发明所提出的针对用于航天器大型微波天线的在地面进行无线测试真空热试验用的吸波外热流模拟系统的温度控制方法，其目标温度按设定速率上升/下降，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。
(5)本发明所提出的PID算法偏差值根据当前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对控制效果的影响。
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为本发明的航天器大型微波天线的在地面进行无线测试真空热试验用的吸波外热流模拟系统温度控制系统示意图；
图2为本发明的航天器大型微波天线的在地面进行无线测试真空热试验用的吸波外热流模拟系统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。
本发明公开了一种航天器大型微波天线的在地面进行无线测试真空热试验用的吸波外热流模拟系统的温度控制方法，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。
本发明公开的航天器大型微波天线的在地面进行无线测试真空热试验用的吸波外热流模拟系统的温度控制系统如图1所示，
包括以下步骤：
步骤S11：根据薄膜加热器的安装位置划分温度控制分区，对吸波材料和大型微波天线的表面温度进行分区控制，同一控制区内，多个薄膜加热器对应一个温度测点；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薄膜加热器工作电流。
步骤S13：根据步骤S12计算得到的薄膜加热器工作电流，调节程控电源输出电流。
步骤S14：程控电源驱动薄膜加热器，对吸波材料表面施加相应热流。
步骤S15：吸波材料表面受红外灯阵输出热流影响，表面温度产生变化，进而影响天线表面温度。
步骤S16：由于吸波材料表面及天线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。
本发明公开的航天器大型微波天线的在地面进行无线测试真空热试验用的吸波外热流模拟系统的温度控制方法，采用分级控制的方法，即通过控制吸波材料表面温度间接控制天线表面温度的方法。同一控制区内，多个薄膜加热器对应一个温度测点，构成一个闭环控制的对象。控制区内薄膜加热器控制方法参阅图2所示。
参阅图2所示为控制区内薄膜加热器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及升降温速率。
步骤S22：温度传感器采集吸波材料表面及天线表面温度。
步骤S23：设定升、降温曲线。曲线分为两个阶段。第一阶段为直线段，第二阶段为逼近段。设置温度曲线需配置两个参数，直线段速率以及距最终控制目标值多少度时开始进入逼近段，该值可以由吸波材料表面温度-天线表面到达热流之间稳态与动态模型计算得出，设定为天线表面稳定在目标温度值时，吸波材料表面温度与天线表面温度的差值。
步骤S24：根据设定目标温度与当前温度的差值，使用模糊控制算法得到一个启动电流。启动电流的计算方法如下：对-100℃-100℃进行分区，每10℃为一个分区，通过对吸波外热流模拟系统的调试试验得到吸波材料表面在某一温区内时对应分区薄膜加热器所施加的电流，设第j分区温度TFj对应的电流为IFj；假定天线处于某一平衡状态T0，此时更改天线的设定温度为T1,T1所处温区为m,T0所处温区为n,则设置该薄膜加热器启动电流IQ＝IFk，若m＝n或|m-n|＝1，则令启动电流等于当前电流。
步骤S25：根据温度曲线的配置参数，及上一周期计算的目标值得到本周期计算目标值。判断当前控制目标温度处在目标温度曲线的阶段，如处于第一阶段，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/下降(该速率可设置)，并设定启动电流，第一阶段使用吸波材料表面温度作为控制系统的控制目标；如处于第二阶段，当前温度与最终控制目标差值较小时，设定目标值为一上升/下降速率按指数衰减的曲线，其可用下式表示：
y＝r-yt+yt*[1-exp(-t/T)]
式中，y为第二阶段的设定目标温度值，r为最终控制目标；yt表示进入第二阶段时实际温度与最终设定温度的差值；t为第二阶段进行时间，T为时间常数。第二阶段的使用天线表面温度作为控制系统的控制目标，目标值通过吸波材料表面温度-天线表面到达热流之间稳态与动态模型计算得到。
步骤S26：根据在真空、冷黑环境中，拟合吸波材料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S27：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。
步骤S28：读取上一控制周期控制电流值
步骤S29：将上一周期控制电流输入薄膜加热器电流-功率模型，得到其上一周期薄膜加热器输出功率的四分之一次方。
步骤S210：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，输入薄膜加热器功率-电流模型，得到本周期薄膜加热器所需施加的电流。
步骤S211：程控电源按指令输出电流，驱动薄膜加热器。
步骤S212：薄膜加热器施放热流，吸波材料及天线表面温度根据热流的改变而变化。
步骤S213：温度传感器采集吸波材料表面及天线表面温度。
步骤S214：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。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.针对用于航天器大型微波天线的在地面进行无线测试真空热试验用的吸波外热流模拟系统的温度控制方法，包括以下步骤：
使用薄膜加热器对吸波材料和大型微波天线的表面温度进行分区控制，同一控制区内，多个薄膜加热器对应一个温度测点；
采集吸波材料表面的温度与大型微波天线的表面温度；
每个控制区内相应的薄膜加热器控制方法为：
根据吸波材料表面温度与天线的热传递关系建立吸波材料表面温度-天线表面到达热流之间的稳态与动态模型，并进行多次模拟试验对模型进行修正；
经吸波材料表面温度-天线表面到达热流之间的稳态与动态模型计算出天线表面达到设定的到达热流时的吸波材料表面的温度；
经比例-积分-微分(PID)环节比较吸波材料表面温度与设定温度之间的偏差，获取偏差量，对所述偏差量进行PID运算和处理，得到相应控制量，控制量为加热器所应输出功率的1/4次方；
将所得控制量输入薄膜加热器电流-功率模型，得出薄膜加热器的稳态工作于该功率下所对应的电流值；
以该电流值驱动程控电源给薄膜加热器供电，控制吸波材料的表面温度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，PID算法的比例、积分、微分参数是通过拟合吸波材料表面若干温度点整定出的参数值，从而建立比例、积分、微分值与温度函数关系得出的。
3.如权利要求1所述的方法，其中，通过模糊控制建立吸波箱加热系统启动阶段的控制方法来减少设定温度发生变化时控温算法的平衡时间。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其中，所述控制方法所采用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温度差值较大时，设定目标值按恒定速率上升/下降，并按照设定启动电流，第一阶段使用吸波材料表面温度作为控制系统的最终控制目标温度；第二阶段是在当前温度与最终控制目标温度差值较小时，设定目标值为一上升/下降速率按指数衰减的曲线，其用下式表示：
y＝r-yt+yt*[1-exp(-t/T)]
式中，y为第二阶段的设定目标值，r为最终控制目标温度；yt表示进入第二阶段时实际温度与最终控制目标温度的差值；t为第二阶段进行时间，T为时间常数，第二阶段使用天线表面温度作为控制系统的最终控制目标温度，第二阶段的设定目标值通过吸波材料表面温度-天线表面到达热流之间稳态与动态模型计算得到。
5.如权利要求1-3任一项所述的方法，其中，所述的PID环节计算偏差采用的吸波材料表面温度是指，通过神经网络建立控制系统模型，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吸波材料表面温度，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，实现试件温度预测。
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CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Wu Dongliang

Inventor after: Liu Shouwen

Inventor after: Liu Xiaoning

Inventor after: Du Chunlin

Inventor after: Liao Tao

Inventor after: Wang Jing

Inventor after: An Wanqing

Inventor after: Zhang Hao

Inventor after: Wen Jing

Inventor after: Zhu Lin

Inventor after: Zhang Xiaoli

Inventor after: Xie Jihui

Inventor before: Liao Tao

Inventor before: An Wanqing

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