CN109766632A - 一种机械制冷机温控的系统仿真分析方法 - Google Patents

一种机械制冷机温控的系统仿真分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机械制冷机温控的系统仿真分析方法，包括以下步骤：(1)在多物理域仿真平台软件、电机设计软件及控制系统软件中分别完成系统中各个部分的独立精确建模；(2)在多物理域仿真平台软件中整合所有独立模块，完成整体系统搭建并实现联合仿真，得到仿真实验结果，并与实测结果进行比较；(3)对整个系统进行温控原理分析。实测证明，本方法在针对机械制冷机温控效果分析时，相比于使用经验法及简单公式计算法进行温控分析时，具有良好的便利性及精准的仿真结果。

Description

一种机械制冷机温控的系统仿真分析方法
技术领域
本发明涉及一种结合多物理域仿真平台软件、电机设计仿真软件、控制系统仿真软件进行多物理域联合仿真的分析方法，尤其涉及一种机械制冷机温度控制的系统级仿真分析方法。
背景技术
随着当代科学技术的飞速发展，人们空间技术的探索愈加深入，空间设备的工作环境要求愈加严苛，机械制冷技术应运而生，机械制冷机以其小体积、大制冷量、高精度可控的制冷温度、快速的降温、广泛的使用范围及高度稳定等优点，在空间红外探测技术中得到了非常广泛的应用。以其在红外相机中的应用为例，相机对环境温度的变化非常敏感，当环境温度的波动超出成像所需的温度范围时，相机本身会发生光学畸变，导致成像模糊，当温度波动较大时，甚至会出现成像失败的情况。因此，如何使机械制冷机在复杂工况下维持稳定温度，成为当前研究的重要内容。机械制冷机的温度控制广泛采用PID等方法控制，该控制器的结构比较简单、参数调节方便、系统的可靠性较高。通过对机械制冷机冷头温度设定值与实测温度的差值，进行控制计算，调整制冷机的驱动功率，从而使制冷机冷头温度维持稳定。
目前，机械制冷机温控系统的仿真方法主要通过建立输入电压与输出温度之间的传递函数，利用控制系统仿真软件对模型进行分析计算，这种方法简单明了，但无法直观揭示输入电压到输出温度之间各物理量的传递变换关系。
发明内容
1.发明目的
本发明目的在于针对现有的机械制冷机温度控制仿真方法的缺陷，提出一种基于多物理域联合仿真平台软件，同时与电机设计仿真软件和控制系统仿真软件进行联合仿真，搭建机械制冷机温度控制的系统仿真平台，为机械制冷机温度控制系统包括驱动电路和制冷机组件的设计提供全面参考。
2.技术方案
一种机械制冷机温控的系统仿真分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在多物理域仿真平台软件中，通过数据手册提取独立开关元器件的特征化参数，对其进行特征化建模，并在软件中搭建完成机械制冷机驱动电路模型。
该步骤旨在对驱动电路进行特征化建模，主要针对独立开关元器件进行动态特性与静态工作点特性的仿真拟合，实现对开关元器件的特征参数提取，并搭建相关驱动电路，完成驱动电路特征化建模。
(2)在电机设计软件中，根据压缩机性能需求，完成压缩机模型的建立，并对外电路进行设置，生成可导入多物理域仿真平台软件的压缩机模型文件。
该步骤旨在对系统中所使用的压缩机建立精确的电磁模型，包括其内在的电磁学参数与机械力学参数设置，可分析压缩机工作状态下的电磁特性、运动特性与机械特性。通过对外电路的电压、步长等参数设置，完成压缩机不同驱动电压下性能参数的计算，并将结果生成可与多物理域联合平台仿真软件进行联合仿真的模型文件。
(3)在控制系统软件中完成杜瓦组件温度传递函数模型及温度控制方法模型的建立，其中杜瓦组件温度传递函数采用集总参数法与拉普拉斯变化的方法建立，温度控制方法采用数字增量式PID方法，通过对冷头实测温度比设定稳定的差值进行比例、积分和微分的计算，得到机械制冷机的驱动功率，为防止压缩机撞缸，对驱动功率的增量进行限幅。同时对控制系统软件与多物理域仿真平台软件的接口进行设置，包括温度，输入电压，电流等物理量。
(4)在多物理域仿真平台软件中将步骤(1)、(2)、(3)构建的各模块模型分别导入，完成驱动电路与压缩机之间的连接，压缩机输出量与杜瓦组件及温度控制方法之间的连接，温度控制方法与驱动电路之间的连接，从而完成机械制冷机温度控制仿真系统的搭建。
(5)在多物理域仿真平台中完成温控系统多物理域联合仿真分析。仿真可实时观测机械制冷机降温过程冷头温度变化曲线，驱动电路中各点电压、电流，压缩机活塞的位移等性能参数，不同参数下温度控制方法对冷头的控温效果，实现对机械制冷机温度控制的系统分析。
(6)结合经验证的系统模型与仿真结果，对机械制冷机温度控制影响因素进行分析，总结出系统温控原理。具体包括驱动电路占空比对输出电压的影响，输出电压对压缩机和冷头温度的影响以及温度控制方法等对系统温度稳定性的影响。
3.有益效果：
本发明结合不同物理域仿真软件，针对机械制冷机系统从驱动电路、压缩机、杜瓦组件及温度控制方法四部分分别进行分析建模，将各个独立模块基于多物理域仿真平台连接起来，形成机械制冷机温度控制的系统级仿真分析。基于仿真结果，可以对系统温度控制的影响因素进行定量分析，从而对机械制冷机温度控制系统设计提供可靠的理论分析。
附图说明
图1为机械制冷机温控的系统仿真分析方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体内容作进一步说明，但本发明的具体实施方式不限于此。凡依本发明的创造精神及特征、模式和实现本发明功能的都在本发明的保护范围之内。
多物理域仿真平台软件(如：ANSYS Simplorer)的驱动电路特征化建模、电机设计软件(如：ANSYS Maxwell)的压缩机建模、控制系统软件(如：Matlab Simulink)的杜瓦组件及温度控制方法建模、在多物理域仿真平台软件中完成机械制冷机温度控制系统的构建及联合仿真分析，具体步骤如下：
(1)驱动电路的特征化建模
在多物理域仿真平台软件中，对驱动电路中的开关元器件IRF3710和IRF5210结合数据手册进行静态及动态参数提取，生成特定的开关元器件模型，同时完成驱动电路的搭建。
(2)压缩机的电磁建模
在电机设计软件中，对压缩机的相关电磁、力学参数进行设置，完成压缩机的模型建立。并对压缩机的外电路进行设置，包括活塞位移范围、电流范围等参数，并在软件中完成计算，将计算结果生成相应文件，与多物理域仿真平台软件进行联合仿真。
(3)杜瓦组件及控制方法建模
在控制系统软件中完成杜瓦组件温度传递函数模型及温度控制方法模型的建立，其中杜瓦组件温度传递函数采用集总参数法与拉普拉斯变化的方法，建立机械制冷机制冷量与杜瓦组件的热负载及漏热量的平衡关系，温度控制方法采用数字增量式PID方法，通过对冷头实测温度比设定稳定的差值进行比例、积分和微分的计算，得到机械制冷机的驱动功率，为防止压缩机撞缸，对驱动功率的增量进行限幅。同时对控制系统软件与多物理域仿真平台软件的接口进行设置。
(4)温度控制系统多物理域联合仿真
在多物理域仿真平台软件中，将步骤(1)、(2)、(3)生成的模型分别进行连接，形成机械制冷机温度控制的闭环仿真系统，对仿真系统添加瞬态求解器并对求解算法及步长进行设置，得到联合仿真结果，包括机械制冷机冷头温度、驱动电路输入输出电压、压缩机活塞位移等物理量变化曲线，与实测曲线进行对比分析。
(5)比较结果，修正模型
将步骤(4)得到的仿真结果与实测结果进行比较分析，若误差小于一定阈值，则认为所建系统模型具有较高的准确性和后续温控机理分析的可行性。若误差过大，则认为模型与实际仍存在较大误差，需返回(1)—(3)进一步优化独立模型与整体模型，直至误差小于一定阈值。
(6)结合经验证的系统模型与仿真结果，对机械制冷机温度控制影响因素进行分析，总结出系统温控原理。具体包括驱动电路占空比对输出电压的影响，输出电压对压缩机和冷头温度的影响以及温度控制方法等对系统温度稳定性的影响。

Claims (4)

1.一种机械制冷机温控的系统仿真分析方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)驱动电路建模：将驱动电路中的独立开关元器件的静态特征参数和动态特征参数输入到多物理域仿真平台软件中，完成开关元器件的特征化建模，并在软件中搭建完成机械制冷机驱动电路模型，完成驱动电路的特征化建模；
(2)压缩机建模：将压缩机的电磁学参数和力学参数输入到电机设计软件中，完成压缩机模型的建立，并在软件中对外电路参数及负载的力学参数进行设置，生成可与多物理域仿真平台软件进行联合仿真的模型文件；
(3)杜瓦组件温度传递函数及温度控制方法建模：在控制系统软件中，对机械制冷机杜瓦组件的热力学参数进行分析计算，完成杜瓦组件温度传递函数模型的构建，并依据传递函数，采用数字增量式PID控制方法，完成温度控制方法的建模，并对控制系统软件与多物理域仿真平台软件的接口进行设置，包括温度，输入电压，电流物理量；
(4)在多物理域仿真平台软件中将步骤(1)、(2)及(3)构建的各模块模型分别导入，完成驱动电路与压缩机之间的连接，压缩机输出量与杜瓦组件及温度控制方法之间的连接，温度控制方法与驱动电路之间的连接，构成系统回路，从而完成机械制冷机温度控制仿真系统的搭建；
(5)在多物理域仿真平台中完成温控系统多物理域联合仿真分析，仿真可实时观测机械制冷机降温过程温度变化曲线，驱动电路输出电压电流曲线，压缩机位移曲线等性能参数，并与机械制冷机实测性能曲线对比；
(6)对步骤(5)得到的机械制冷机仿真性能曲线与实测性能曲线进行比较分析，若误差小于一定阈值，则认为系统模型具有较高的准确性，可依据该模型实现系统温度控制机理分析预测。若误差过大，则认为系统模型准确性较差，需返回步骤(1)～(5)对模型进行优化，直至系统模型达到阈值要求，再对系统进行温度控制原理分析。
2.根据权利要求书1所述的一种机械制冷机温控的系统仿真分析方法，其特征在于：步骤(1)中所述的多物理域仿真平台软件采用Ansys Simplorer。
3.根据权利要求书1所述的一种机械制冷机温控的系统仿真分析方法，其特征在于：步骤(2)中所述的电机设计软件采用Ansys Maxwell。
4.根据权利要求书1所述的一种机械制冷机温控的系统仿真分析方法，其特征在于：步骤(3)中所述的控制系统软件采用Matlab Simulink。
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