CN109032209B - 一种航天器反馈控制和顺馈补偿相结合的复合控温系统 - Google Patents

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Abstract

一种反馈控制和顺馈补偿结合的复合控温系统，包括温度偏差反馈模块、外热流内热源顺馈模块、电加热驱动模块、测温传感器以及热控实施模块；温度测量模块解析测温传感器值，为控温周期调整模块提供调整输入，控温周期调整模块与加热控制模块一道实现电加热驱动信号的解算输出，可分辨加热时间设置模块控制加热控制模块的最小步长，外热流加权模块提供外热流加权，对加热控制模块的输出进行修正。本发明可使温度控制策略和控制方法导致的误差降低，使航天器运行环境中的已知干扰与控制参数闭环。

Description

一种航天器反馈控制和顺馈补偿相结合的复合控温系统
技术领域
本发明属于航天器温度控制领域，涉及一种反馈控制和顺馈补偿结合的符合控温系统。
背景技术
传统航天器温度控制的过程是主动热控制和被动热传导同时作用下的动态平衡。主动热控制通过敏感与目标温度的偏差，在系统计算资源能力范围内，计算并控制电加热器的开断时间，使系统温度保持在预置温度点附近；而被动热传导，则是通过合理的热包覆和绝热设计，来降低系统漏热。主动热控制和被动热传导的结合，是航天器在有限的平台资源条件下，为获得稳定的温度条件而进行的权衡的结果。
然而，随着航天器功能、结构、轨道机动条件复杂度的增加，现有控制方法不足以满足一些高精度控温的需求。体现在以下3个方面：1、主动热控制方法不能适应提升的控制精度需求：控制方法误差导致的控温精度损失过大，传统的固定控温周期、有限的可分辨加热时间、控制周期内单次集中的加热控制策略等因素，都在限制着控温精度(航天器精密控温技术研究现状，童叶龙李国强耿利寅，航天返回与遥感，2016年4月，第37卷第2期)。2、被动热包覆不再能够适应变化的航天器结构漏热量控制需求：以大口径光学遥感器为例，随着通光口径增大，相机漏热更为严重，随环境产生的周期性的控温精度波动已经开始影响系统成像性能。3、由于目前采用的反馈方法具备一定的滞后性，影响了控制精度。加之多以同一热控参数控制所有回路，对控制精度也产生了不利影响。以上问题限制了航天器温度控制精度和航天器整体性能的提升。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提出了一种反馈控制和顺馈补偿相结合的航天器复合控温系统，缩小了控制方法导致的控温精度误差，解决了环境周期性波动导致的控温精度降低的问题，并根据被控通道特性分别实现热控参数设置，以此降低控制策略和控制方法导致的误差，提高控制精度。
本发明的技术解决方案是：
一种反馈控制和顺馈补偿结合的复合控温系统，包括：温度偏差反馈模块、外热流内热源顺馈模块、电加热驱动模块、测温传感器以及热控实施模块；
测温传感器测量出待控温目标的实时温度并提供给温度偏差反馈模块，外热流内热源顺馈模块给温度偏差反馈模块提供加热时间控制系数，温度偏差反馈模块根据待控温目标的实时温度和加热时间控制系数，生成实际控温周期、加热时间、实时温度偏差与预设偏差范围最大值的比值、单位时间内的可分辨加热时间的个数给电加热驱动模块，电加热驱动模块根据所述实际控温周期、加热时间、实时温度偏差与预设偏差范围最大值的比值、单位时间内的可分辨加热时间的个数，驱动热控实施模块对待控温目标进行控温。
所述温度偏差反馈模块包括温度测量模块、控温周期调整模块、加热时间控制模块以及可分辨加热时间设置模块；
温度测量模块采集测温传感器的值，获得待控温目标的实时温度，进而获得实时温度偏差与预设偏差范围最大值的比值，并提供给控温周期调整模块以及电加热驱动模块；控温周期调整模块根据所述待控温目标的实时温度以及预设的待控温目标的期望值，获得实际控温周期并提供给加热时间控制模块以及电加热驱动模块；
加热时间控制模块根据所述实际控温周期、实时温度偏差与预设偏差范围最大值的比值获得加热时间，提供给电加热驱动模块；
可分辨加热时间设置模块生成加热步长提供给加热时间控制模块，加热时间控制模块根据所述加热步长、外热流内热源顺馈模块提供的加热时间控制系数生成单位时间内的可分辨加热时间的个数，提供给电加热驱动模块。
外热流内热源顺馈模块提供加热时间控制系数S(t)，具体为：
Figure GDA0001842071850000031
其中，t为在轨运行时间，a取值范围为(0，1)，b取值范围为(1,2)。
所述控温周期调整模块根据待控温目标的实时温度以及预设的待控温目标的期望值，获得实际控温周期，具体为：
Figure GDA0001842071850000032
其中，k为调整比例系数，
Figure GDA0001842071850000033
为待控温目标的实时温度与预置待控温目标的期望值的差值的向上取整，C0为初始控温周期；C为实际控温周期。
所述调整比例系数k的取值范围为[1/3，1]；所述ΔT的取值范围为(0，3]。
所述可分辨加热时间设置模块生成加热步长，具体为：
Figure GDA0001842071850000034
其中，Δc为加热步长，Cap为热容，P为加热功率，L为调整系数。
加热时间控制模块根据所述加热步长、外热流内热源顺馈模块提供的加热时间控制系数，生成单位时间内的可分辨加热时间的个数X，具体为：
X＝(1/Δc)×S
其中，Δc为加热步长，S为外热流内热源顺馈模块提供加热时间控制系数。
电加热驱动模块根据所述实际控温周期、加热时间、实时温度偏差与预设偏差范围最大值的比值、单位时间内的可分辨加热时间的个数X，驱动热控实施模块对待控温目标进行控温，具体为：
将控温周期C内总加热时间H，按照可分辨加热时间设置模块确定的加热步长Δc为步长，以单位时间内的可分辨加热时间的个数X为个数，在周期C内按时间平均分布，输出至电加热驱动模块，以此控制热控实施模块对待控温目标进行控温；
控温周期C内总加热时间H为：
H＝C×ΔT/ΔTmax
其中，C为控温周期调整模块确定的控温周期，ΔT/ΔTmax为待控温目标的实时温度偏差与偏差最大值的比值。
测温传感器采用热敏电阻或者热电偶实现。热控实施模块采用电加热片实现。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、采用反馈控制与顺馈补偿结合进行控温，降低已知干扰对系统稳定度的影响；
2、以外界环境干扰的时间函数作为顺馈补偿系数，对加热时间进行动态调整。
3、以待控温目标的实时温度为输入，对控温周期进行调整，实现根据待测量目标的温度偏差动态调整控制周期，提高控制精度的目的；
4、根据负载热容和加热功率来选择可分辨加热时间；
5、根据可分辨加热时间、外界干扰，得到单位时间的加热控制系数，为加热驱动提供输入；
6、采用加热时间控制模块，根据实际控温周期、加热时间、实时温度偏差与预设的偏差最大值的比值，和单位时间内的可分辨加热时间的个数，来调整加热时间，实现精密温度控制。
附图说明
图1为本发明系统架构示意图；
图2为反馈控制和顺馈补偿相结合的复合控温系统控制框图；
图3为加热时间计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本发明涉及一种反馈控制和顺馈补偿结合的复合控温系统，包括温度偏差反馈模块、外热流内热源顺馈模块、电加热驱动模块、测温传感器以及热控实施模块。通过反馈控制与顺馈补偿结合进行控温，降低已知干扰对系统稳定度的影响；通过控温周期调整模块，根据待控温目标的实时温度以及预设的待控温目标的期望值，调整实际控温周期；通过加热时间控制模块，根据加热步长、外热流内热源顺馈模块提供的加热时间控制系数，调整加热时间；通过外热流内热源顺馈模块，根据外界环境情况对加热时间进行动态调整。本发明克服了现有技术的不足，缩小了控制方法导致的控温精度误差，解决了环境周期性波动导致的控温精度降低的问题，并根据被控通道特性分别实现热控参数设置，以此降低控制策略和控制方法导致的误差，提高控制精度。
如图1所示，该复合控温系统具体包括：温度偏差反馈模块、外热流内热源顺馈模块、电加热驱动模块、测温传感器以及热控实施模块；
测温传感器测量出待控温目标的实时温度并提供给温度偏差反馈模块，外热流内热源顺馈模块给温度偏差反馈模块提供加热时间控制系数，温度偏差反馈模块根据待控温目标的实时温度和加热时间控制系数，生成实际控温周期、加热时间、实时温度偏差与预设偏差范围最大值的比值、单位时间内的可分辨加热时间的个数给电加热驱动模块，电加热驱动模块根据所述实际控温周期、加热时间、实时温度偏差与预设偏差范围最大值的比值、单位时间内的可分辨加热时间的个数，驱动热控实施模块对待控温目标进行控温。
温度偏差反馈模块包括温度测量模块、控温周期调整模块、加热时间控制模块以及可分辨加热时间设置模块；
温度测量模块采集测温传感器的值，获得待控温目标的实时温度，进而获得实时温度偏差与预设偏差范围最大值的比值，并提供给控温周期调整模块以及电加热驱动模块；控温周期调整模块根据所述待控温目标的实时温度以及预设的待控温目标的期望值，获得实际控温周期并提供给加热时间控制模块以及电加热驱动模块；
加热时间控制模块根据所述实际控温周期、实时温度偏差与预设偏差范围最大值的比值获得加热时间，提供给电加热驱动模块；
如图2所示，可分辨加热时间设置模块生成加热步长提供给加热时间控制模块，加热时间控制模块根据所述加热步长、外热流内热源顺馈模块提供的加热时间控制系数生成单位时间内的可分辨加热时间的个数，提供给电加热驱动模块。
外热流内热源顺馈模块提供加热时间控制系数S(t)，具体为：
Figure GDA0001842071850000061
其中，t为在轨运行时间，a取值范围为(0，1)，b取值范围为(1,2)。
如图2所示，控温周期调整模块根据待控温目标的实时温度以及预设的待控温目标的期望值，获得实际控温周期，具体为：
Figure GDA0001842071850000062
其中，k为调整比例系数，
Figure GDA0001842071850000063
为待控温目标的实时温度与预置待控温目标的期望值的差值的向上取整，C0为初始控温周期；C为实际控温周期。
调整比例系数k的取值范围为[1/3，1]；ΔT的取值范围为(0，3]。
如图3所示，可分辨加热时间设置模块生成加热步长，具体为：
Figure GDA0001842071850000064
其中，Δc为加热步长，Cap为热容，P为加热功率，L为调整系数。
如图2所示，加热时间控制模块根据所述可分辨加热时间、外热流内热源顺馈模块提供的加热时间控制系数，生成单位时间内的可分辨加热时间的个数X，具体为：
X＝(1/Δc)×S
其中，S为外热流内热源顺馈模块提供加热时间控制系数。
如图2所示，电加热驱动模块根据所述实际控温周期、加热时间、实时温度偏差与预设的偏差最大值的比值，和单位时间内的可分辨加热时间的个数X，驱动热控实施模块对待控温目标进行控温，具体为：
将控温周期C内总加热时间H，按照可分辨加热时间设置模块确定的加热步长Δc为步长，以单位时间内的可分辨加热时间的个数X为个数，在周期C内按时间平均分布，输出至电加热驱动模块，以此控制热控实施模块对待控温目标进行控温；
控温周期C内总加热时间为H：
H＝C×ΔT/ΔTmax
其中，C为控温周期调整模块确定的控温周期，ΔT/ΔTmax为待控温目标的实时温度偏差与偏差最大值的比值。
实施例：
如图1所示，本复合控温系统包括：温度偏差反馈模块、外热流内热源顺馈模块、电加热驱动模块、测温传感器以及热控实施模块几个部分。其中，测温传感器采用热敏电阻或者热电偶实现，本实施例中测温传感器采用MF61型热敏电阻，热控实施模块采用电加热片。
热敏电阻MF61敏感待控温目标实时温度，提供给温度偏差反馈模块中的温度测量模块；设目标温度为20℃，测得热敏电阻MF61敏感待控温目标温度为18.15℃。
据此对控温周期调整模块进行周期计算：
Figure GDA0001842071850000071
取C0＝10s，k＝1/3，对温度偏差1.85℃进行向上取整为2℃，则C＝20/3s。
计算加热步长Δc：取热容Cap＝1000J/K，加热功率P＝5W，调整系数L＝1/1000，则：
Figure GDA0001842071850000072
外热流内热源顺馈模块提供加热时间控制系数S(t)，由
Figure GDA0001842071850000081
阳照区系数选择a＝0.8。
根据所选择的Δc、S，待控温目标的实时温度偏差，以及偏差最大值，生成单位时间内的可分辨加热时间个数，具体为：
X＝(1/Δc)×S＝(1/0.02)×0.8＝40个
电加热驱动模块根据所述实际控温周期、加热时间和待控温目标的实时温度驱动热控实施模块对待控温目标进行控温，具体为：
H＝C×ΔT/ΔTmax
＝20/3×1.85/3＝4.1s
将控温周期C内总加热时间H＝4.1s，按照可分辨加热时间设置模块确定的加热步长Δc＝20ms为步长，以单位时间内的可分辨加热时间的个数X＝40为个数，在周期C内按时间平均分布，输出至电加热驱动模块，以此控制热控实施模块。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种反馈控制和顺馈补偿结合的复合控温系统，其特征在于包括：温度偏差反馈模块、外热流内热源顺馈模块、电加热驱动模块、测温传感器以及热控实施模块；
测温传感器测量出待控温目标的实时温度并提供给温度偏差反馈模块，外热流内热源顺馈模块给温度偏差反馈模块提供加热时间控制系数，温度偏差反馈模块根据待控温目标的实时温度和加热时间控制系数，生成实际控温周期、加热时间、实时温度偏差与预设偏差范围最大值的比值、单位时间内的可分辨加热时间的个数给电加热驱动模块，电加热驱动模块根据所述实际控温周期、加热时间、实时温度偏差与预设偏差范围最大值的比值、单位时间内的可分辨加热时间的个数，驱动热控实施模块对待控温目标进行控温；
所述温度偏差反馈模块包括温度测量模块、控温周期调整模块、加热时间控制模块以及可分辨加热时间设置模块；
温度测量模块采集测温传感器的值，获得待控温目标的实时温度，进而获得实时温度偏差与预设偏差范围最大值的比值，并提供给控温周期调整模块以及电加热驱动模块；控温周期调整模块根据所述待控温目标的实时温度以及预设的待控温目标的期望值，获得实际控温周期并提供给加热时间控制模块以及电加热驱动模块；
加热时间控制模块根据所述实际控温周期、实时温度偏差与预设偏差范围最大值的比值获得加热时间，提供给电加热驱动模块；
可分辨加热时间设置模块生成加热步长提供给加热时间控制模块，加热时间控制模块根据所述加热步长、外热流内热源顺馈模块提供的加热时间控制系数生成单位时间内的可分辨加热时间的个数，提供给电加热驱动模块；
将实际控温周期内加热时间，按照可分辨加热时间设置模块确定的加热步长为步长，以单位时间内的可分辨加热时间的个数为个数，在实际控温周期内按时间平均分布，输出至电加热驱动模块，以此控制热控实施模块对待控温目标进行控温。
2.根据权利要求1所述的一种反馈控制和顺馈补偿结合的复合控温系统，其特征在于：外热流内热源顺馈模块提供加热时间控制系数S(t)，具体为：
Figure FDA0002636283490000021
其中，t为在轨运行时间，a取值范围为(0，1)，b取值范围为(1,2)。
3.根据权利要求2所述的一种反馈控制和顺馈补偿结合的复合控温系统，其特征在于：所述控温周期调整模块根据待控温目标的实时温度以及预设的待控温目标的期望值，获得实际控温周期，具体为：
Figure FDA0002636283490000022
其中，k为调整比例系数，
Figure FDA0002636283490000023
为待控温目标的实时温度与预置待控温目标的期望值的差值的向上取整，C0为初始控温周期；C为实际控温周期。
4.根据权利要求3所述的一种反馈控制和顺馈补偿结合的复合控温系统，其特征在于：所述调整比例系数k的取值范围为[1/3，1]；所述ΔT的取值范围为(0，3]。
5.根据权利要求4所述的一种反馈控制和顺馈补偿结合的复合控温系统，其特征在于：所述可分辨加热时间设置模块生成加热步长，具体为：
Figure FDA0002636283490000024
其中，Δc为加热步长，Cap为热容，P为加热功率，L为调整系数。
6.根据权利要求5所述的一种反馈控制和顺馈补偿结合的复合控温系统，其特征在于：加热时间控制模块根据所述加热步长、外热流内热源顺馈模块提供的加热时间控制系数，生成单位时间内的可分辨加热时间的个数X，具体为：
X＝(1/Δc)×S
其中，Δc为加热步长，S为外热流内热源顺馈模块提供加热时间控制系数。
7.根据权利要求6所述的一种反馈控制和顺馈补偿结合的复合控温系统，其特征在于：电加热驱动模块根据所述实际控温周期、加热时间、实时温度偏差与预设偏差范围最大值的比值、单位时间内的可分辨加热时间的个数X，驱动热控实施模块对待控温目标进行控温，具体为：
实际控温周期C内加热时间H为：
H＝C×ΔT/ΔTmax
其中，ΔT/ΔTmax为待控温目标的实时温度偏差与偏差最大值的比值。
8.根据权利要求1所述的一种反馈控制和顺馈补偿结合的复合控温系统，其特征在于：测温传感器采用热敏电阻或者热电偶实现。
9.根据权利要求1所述的一种反馈控制和顺馈补偿结合的复合控温系统，其特征在于：热控实施模块采用电加热片实现。
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