CN111679702A - 一种机械制冷机综合多级温度控制方法 - Google Patents

一种机械制冷机综合多级温度控制方法 Download PDF

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杨宝玉
刘墨洲
吴亦农
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    • G05D23/00—Control of temperature
    • G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/20—Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature

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Abstract

本发明公开了一种机械制冷机综合多级温度控制方法，控制方法包括以下步骤：(1)温度采集模块将冷头温度输至综合多级PID温度控制器；(2)综合多级PID温度控制器根据冷头温度与设定温度的差值计算出控制量；(3)控制量控制功率驱动器来驱动制冷机电机输出制冷量；(4)冷平台处的制冷量反馈调节冷头温度，并且使冷头温度维持一定的稳定度；(5)在冷头温度保持一定的稳定度之后，控制量同时可以控制功率开关器来驱动精密补偿加热器输出小加热量；(6)冷平台处的小加热量反馈调节冷头温度，并且使冷头温度维持更高的稳定度。实测证明，本方法在针对机械制冷机冷头温度控制时，能实现非常高的稳定度。

Description

一种机械制冷机综合多级温度控制方法
技术领域
本发明涉及一种机械制冷机综合多级温度控制方法，适用于需要应用机械制冷机提供低温环境但对温度稳定度要求的场景较高，如高分辨率、光谱连续以及高灵敏度的红外基准载荷等。本发明能够有效降低制冷机冷头温度波动，提高冷平台处冷头温度稳定性，对航空航天高分辨率、光谱连续以及高灵敏度的红外基准载荷等场景内具有重要意义。
背景技术
随着空间探测技术的探索愈加深入，红外探测技术的性能要求越来越高。以研究气候变化领域的红外基准载荷为例，目前要求红外基准载荷可以识别的温度变化为每百年不到1K，即红外基准载荷需要对影响温度变化的关键参数进行长时间的精确采集，才能识别出温度变化、分析出气候变化的机理以及确定引起气候变化的自然和人为因素，预测气候变化趋势。而现有的红外基准载荷无法满足气候研究领域的时间长、精度高、数量大的科学数据需求。为实现研究气候变化领域的红外基准载荷技术要求，研制的红外基准载荷必须具有灵敏度高、光谱连续、光谱分辨率高的特点。
目前，机械制冷机普遍采用机械制冷机主动闭环温度控制方法，即对冷平台处的冷头温度偏差值进行PID控制运算，按照PID控制器计算出的控制量来输出制冷量，进而实现冷平台处的温度稳定度。但是目前只采用机械制冷机主动闭环温度控制方法不能够满足高分辨率、光谱连续以及高灵敏度的红外基准载荷等对冷平台处的温度稳定度要求。
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主动闭环温度控制方法的问题，结合制冷机实际情况和温度控制的基本原理，设计一套机械制冷机综合多级温度控制系统，通过增加精密补偿加热器的小加热量反馈调节冷头温度环节，能够实现冷平台处的温度高稳定度。
2.技术方案
一种机械制冷机综合多级温度控制方法，其特征在于：
包括以下步骤：
(1)用于采集制冷机冷头温度的温度信号采集模块把温度信号转化为数字信号，并且把数字信号传至综合多级PID温度控制器；
(2)综合多级PID温度控制器计算冷头温度与设定值的差值，并根据综合多级PID算法参数值可以分别计算出用于驱动制冷机电机的控制量以及用于驱动精密补偿加热器的控制量，并且把控制量分别转换成模拟信号；
(3)综合多级PID温度控制器输出的用于驱动制冷机电机的模拟信号经过功率驱动器处理后可以直接控制制冷机电机输出制冷量；
(4)在制冷机冷平台处制冷量可以反馈调节冷头温度，使得冷头温度保持一定的稳定度；
(5)在冷头温度保持一定的稳定度之后，综合多级PID温度控制器输出的用于驱动精密补偿加热器的控制量的模拟信号经过开关驱动器处理后可以直接控制精密补偿加热器输出小加热量；
(6)在制冷机冷平台处通过制冷量反馈调节冷头温度的同时，还可以通过小加热量的反馈调节冷头温度，使得冷头温度控制实现高稳定度。
所述的综合多级PID温度控制器由数字PID控制器和PWM波发生器组成，数字PID控制器以增量式PID控制算法为理论基础，根据制冷量反馈调节冷头温度方式的PID参数整定规律和冷头温度与设定值的差值输出用于驱动制冷机电机的控制量，数字PID控制器以软件实现SPWM波数字控制方法为基础，将用于驱动制冷机电机的控制量输至PWM波发生器产生SPWM波模拟信号；在冷头温度保持一定的稳定度之后，根据小加热量的反馈调节冷头温度方式的PID参数整定规律和冷头温度与设定值的差值输出用于驱动精密补偿加热器的控制量，数字PID控制器将用于驱动精密补偿加热器的控制量直接输至PWM波发生器产生PWM波模拟信号。
3.有益效果：
本发明提出了一种机械制冷机综合多级温度控制方法，相比于现有的机械制冷机主动闭环温度控制方法，实现了冷平台处的冷头温度控制的高稳定度。
附图说明
图1机械制冷机综合多级温度控制方法方案示意图。
图2只有制冷量反馈调节冷头温度时的冷头温度结果图，其中图(a)为降温阶段以及稳定阶段的冷头温度结果图，图(b)为稳定阶段的冷头温度结果放大图。
图3制冷量和小加热量联合反馈调节冷头温度时的冷头温度结果图，其中图(a)为降温阶段以及稳定阶段的冷头温度结果图，图(b)为稳定阶段的冷头温度结果放大图。
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。
参照图1所示，本发明通过以下技术方案实现：一种机械制冷机综合多级温度控制方法，所述温度控制方法包括以下步骤：
(1)选用脉管制冷机作为实验对象，该制冷机冷头温度的设定值为60K。安装在冷平台处的温度传感器选用Cernox低温传感器，将冷头温度信号转换为微小电压信号，再经过运算放大器op400对其放大为合适的模拟电压信号，10位A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号并输至综合多级PID温度控制器中；
(2)综合多级PID温度控制器选用宏晶科技公司生产的新一代8051单片机。
将制冷机的冷平台、综合多级温度控制电路和控制算法进行集成建模仿真，并通过搭建制冷机综合多级控温实验平台确定综合多级温度控制电路的调节步距设计值和综合多级温度控制算法参数值，并通过验证试验进行修正。最终确定用于驱动制冷机电机和用于驱动精密补偿加热器的控制参数KP、KI以及KD分别为(0.557,0.02,0.02)和(0.235,0.227,0.275)，单片机根据控制参数分别确定控制量。
(3)单片机内部集成的PWM波发生器与D/A转换器根据对应的控制量输出驱动电压波形，并将驱动电压波形传至H桥放大电路以及功率开关器。H桥放大电路由P沟道MOS管IRF5210以及N沟道MOS管IRF3710组成，功率开关器选用MOS管IRFU220。通过直流电源给H桥放大电路以及功率开关器供电，H桥放大电路输出的驱动电压波形再经过滤波器滤波就可以驱动制冷机电机输出制冷量，而功率开关器直接可以控制精密补偿加热器输出小加热量；
(4)在制冷机冷平台处制冷量以及小加热量联合反馈调节冷头温度，使得冷头温度实现高稳定度。
如图2与图3所示，实测证明，本方法在针对机械制冷机冷头温度控制时，能实现冷头温度的高稳定度。

Claims (2)

1.一种机械制冷机综合多级温度控制方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)用于采集制冷机冷头温度的温度信号采集模块把温度信号转化为数字信号，并且把数字信号传至综合多级PID温度控制器；
(2)综合多级PID温度控制器计算冷头温度与设定值的差值，并根据综合多级PID算法参数值可以分别计算出用于驱动制冷机电机的控制量以及用于驱动精密补偿加热器的控制量，并且把控制量分别转换成模拟信号；
(3)综合多级PID温度控制器输出的用于驱动制冷机电机的模拟信号经过功率驱动器处理后可以直接控制制冷机电机输出制冷量；
(4)在制冷机冷平台处制冷量可以反馈调节冷头温度，使得冷头温度保持一定的稳定度；
(5)在冷头温度保持一定的稳定度之后，综合多级PID温度控制器输出的用于驱动精密补偿加热器的控制量的模拟信号经过开关驱动器处理后可以直接控制精密补偿加热器输出小加热量；
(6)在制冷机冷平台处通过制冷量反馈调节冷头温度的同时，还可以通过小加热量的反馈调节冷头温度，使得冷头温度控制实现高稳定度。
2.根据权利要求1所述的一种机械制冷机综合多级温度控制方法，其特征在于：所述的综合多级PID温度控制器由数字PID控制器和PWM波发生器组成，数字PID控制器以增量式PID控制算法为理论基础，根据制冷量反馈调节冷头温度方式的PID参数整定规律和冷头温度与设定值的差值输出用于驱动制冷机电机的控制量，数字PID控制器以软件实现SPWM波数字控制方法为基础，将用于驱动制冷机电机的控制量输至PWM波发生器产生SPWM波模拟信号；在冷头温度保持一定的稳定度之后，根据小加热量的反馈调节冷头温度方式的PID参数整定规律和冷头温度与设定值的差值输出用于驱动精密补偿加热器的控制量，数字PID控制器将用于驱动精密补偿加热器的控制量直接输至PWM波发生器产生PWM波模拟信号。
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