研究｜宽温区气氮调温系统控制技术研究

编者按

引言

为了验证航天器在特殊工作环境下的有效性和可靠性，航天器须在热真空试验设备中进行真空高低温试验，试验通常具备航天器试验温度场的可控范围大、均匀性要求高的特点。传统的控温方式主要分为基于液氮+加热笼冷热对抗精确控温和基于导热油的油浴控温两种方式。基于液氮+加热笼冷热对抗控温主要将液氮或制冷剂通入热沉制造冷背景，红外加热笼加热进行冷热对抗实现精确调温的，这种调温方面液氮消耗量大、产品均匀性差，针对这种缺陷目前常采用分区独立控温的形式消除，但又造成控制复杂、调温适应性差。基于导热油的油浴控温，主要通过控温一定温度的导热油进入热沉，通过控制热沉的温度实现产品控温，这种方式，由于导热油的特性，温控可控范围难以达到试验要求。因此，目前大多数国家已逐步改造设备，采用通过控制通入热沉的氮气温度调节热沉温度达到航天器温控的方案。

宽温区气氮调温系统是采用气氮作为换热介质的控温装置，通过控制气氮的温度实现目标温度的控制。但由于系统具有氮气比热小造成换热能力差且存在气液两相流造成压力波动剧烈的特性，精确控温技术实现难度较大，目前国内只有少数厂家成功研制。

1 气氮调温控制技术

1.1 气氮调温控制原理

气氮控温系统主要由液氮供应系统（液氮罐、汽化器等）、风机、水冷却器、换热器、气氮流量控制阀、液氮流量控制阀、稳压阀、加热器、气体均匀器、各类阀门、各类温度及压力传感器组成，实现热沉温度在-120℃~+120℃范围连续可调。气氮控温系统原体如图1所示。

图1 气氮控温系统原理图

循环气氮在风机的推动作用下，在管路中不断循环，并通过气液混合器及加热器作为控温核心装置，调节循环气氮的温度，将一定压力及温度的氮气通入热沉，进而实现热沉温度连续可调。

气氮控温装置控温流程分为高温工况控温流程及低温工况控温流程。

高温工况，系统关闭V2液氮流量控制阀，循环氮气按照图2所示流程进行自循环，系统通过调节加热器的加热功率及氮气进入热沉的压力实现对热沉和产品温度的精确控制。

图2 高温控制系统原理图

低温工况，系统关闭加热器输出，循环氮气按照图3所示流程进行自循环，系统通过V2液氮流量调节阀的开度及氮气进入热沉的压力实现对热沉和产品温度的精确控制。低温工况系统流程图如图3所示。

图3 低温控制系统原理图

1.2 基于双作用PID控制的氮气压力控制技术研究

气氮调温系统的风机入口气氮压力（图一参数P1）是系统关键的控制参数，热沉进口气氮压力的波动直接影响着热沉温度的波动。

低温工况下，随着液氮不断进入系统，系统压力不断升高，为防止系统压力上升过高，必须通过图1 V10排空阀进行泄压放气；高温工况下，系统存在一定的排气，系统压力不断下降，为防止系统压力下降过低，必须通过图1 V3阀进行补气操作。

系统采用带正反作用互斥输出双PID控制策略。正反作用指的是V3、V10两个执行机构具备正反作用。V3阀为增压阀，开度增加系统压力升高为正作用；V10阀为泄压阀，开度增加系统压力下降为反作用。系统通过不断增压、泄压操作达到控制气氮压力的目的，为了防止系统增压/泄压时，反作用的PID也存在较大输出，造成氮气消耗量大的问题，正作用的PID回路与反作用PID回路互斥输出，形成气氮压力的最优控制。系统控制逻辑图如图4所示。

图4 基于正反双作用互斥型PID控制框图

1.3 热沉温度控制技术研究

1）串级PID控制算法

串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到了广泛的应用。所谓串级控制，就是采用两个控制器串联工作，外环控制器的输出作为内环控制器的设定值，由内环控制器的输出去操纵控制执行机构，从而对外环被控量具有更好的控制效果。这样的控制系统被称为串级系统。PID串级控制就是串级控制中的两个控制器均为PID控制器。图5为PID串级控制的系统结构。

图5 PID串级控制原理结构

串级PID控制系统在结构上仅仅比简单控制系统多了一个内环回路，可是实践证明，对于大滞后及系统干扰因素较多的控制场合，串级控制系统的控制质量是简单控制系统无法比拟的。就主回路看是一个定值控制系统，但从回路可看成是一个随动控制回路。主回路控制器按负荷和操作条件的变化不断纠正从回路控制器的设定值，使从回路控制器的设定值适应负荷和操作条件的变化。这种通过提前对主回路控制量进行规约，对系统干扰进行预消除的策略目前广泛应用在一些大时滞或扰动变化激烈的控制对象中。

2）基于串级PID控制的热沉温度控制技术

系统将一定压力、温度的氮气作为载热体通入热沉，通过不断调节氮气的温度对热沉温度进行控制。由于采用气体加热的方式，气体比热容较小，控制对象模型呈现大惯性、大延迟的特性，仅依靠单纯的PID控制结构不能有效的解决控温问题，易造成系统过冲大且稳态振荡的结果。另一方面，低温状态下，通入的液氮存在气液两项的状态，且气液所占比例存在非确定性，循环回路的气氮压力扰动也较剧烈，对于此控制对象特性，热沉温度控制采用串级PID温度控制策略。热沉温度控制框图如图6所示。

图6 热沉高精度闭环控温控制框图

主回路为热沉温度控制，副回路为气氮温度控制。

主回路的最大输出（即副回路的气氮温度设定值）Sv2(t)为热沉温度设定值加上△T，根据反馈差值实施调节气氮温度的设定值,调节范围为

通过这种对氮气温度进行控制的方式可避免单纯的根据热沉进行控制加热时造成氮气温度过高，且长时间回不来从而造成产品温度过冲大的问题。

副回路气氮温度控制模式分为氮气低温过程和氮气高温过程控制模式。

当热沉设定温度低于0℃，副回路氮气控温模式自动切换为低温过程控制模式，关闭加热器输出，采用反作用PID控制算法。通过调节液氮流量控制阀的开度，将液氮供应系统提供的液氮与循环的气氮在气体混合器中进行混合，达到气氮精确控温的目的。

当热沉设定温度大于0℃，副回路氮气控温模式自动切换为高温过程控制模式，关闭V2液氮流量阀，采用正作用PID控制算法，通过调节加热器的加热功率从而控制气氮的温度。

同时，为了避免系统稳态振荡，系统采用分区域PID参数自动切换的控制策略。真空环境下，单一的PID参数并不能对全温区的温度控制都适用。根据调试经验，系统根据温度区间，将温度区间分为低温区、中温区、高温区，根据温度的设定值及当前时刻的实际值进行智能辨识，从而选择合适的PID参数达到精确控温的效果。

2 调试及使用效果

2.1 系统搭建

系统采用KM1.5试验设备作为控制对象，热沉尺寸φ1200mm×L2000mm，热沉结构采用胀板式热沉。为了提高系统均匀性，热沉采取分区设计，进出液采用下进上出的形式，将热沉分为大门、筒体、封头三个大区，其中筒体延轴向再均分三个区。

同时，为了提高氮气进入热沉的流量，采用循环风机进行增压，增压后，气氮进气体积流量170 m3/h，进气压力100kPa。同时由于低温工况时，存在压力波动扰动的情况，循环风机采用变频控制功能，当系统压力急剧升高且排气阀门全开情况下仍不能有效降 压力降低至合理范围时，通过风机降速输出可有效降低系统扰动对控制的影响。

系统搭建完成后实物图如下：

图7 气氮调温系统搭建实物图

2.2 系统调试

系统调式工况分为两种典型工况：低温控温工况、高温控温工况。论 分别在-120℃，-80℃,120℃三个典型工况点进行验证测试，并进行了连续高低温循环测试。

测试情况如下：

1）低温调温

低温控温通过调节液氮流量控制阀的开度，将液氮供应系统提供的液氮与循环的气氮在气体均匀器中进行混合，达到气氮精确控温的目的。

系统分别在-80℃、-120℃进行了调试，控温精度达到±1℃，热沉整体均匀性达到±3℃，热沉降温速度达到3℃/Min。试验数据曲线图如下：

(a)-120℃控温点温度曲线

(b)-120℃热沉温度曲线

(c)-80℃控温点温度曲线

(d)-80℃热沉温度曲线

图8 低温工况温度控制曲线图

2）高温调温

高温调温通过调节加热器的加热功率从而控制气氮的温度，使具有设定温度的气氮通入到热沉中，从而实现热沉的高温控制，而经过热沉换热后的热气氮进入换热器，与循环气氮换热后，进入循环系统，形成一个闭循环。

系统在高温120℃进行了调试，控温精度达到±1℃，热沉整体均匀性达到±3℃，热沉升温速度达到1℃/min。

试验数据曲线图如下：

(a)120℃控温点温度曲线

(b)120℃热沉温度曲线

图9 高温工况温度控制曲线图

3）高低温循环工况

为了验证系统长时间运行以及工况切换过程中的稳定性，系统进行了长时间宽范围的高低温循环试验。

工况如下：高温工况120℃，低温工况-120℃，高低温循环3次。

部分测试数据如下：

(a)高低温循环控温温度曲线

(b)高低温循环控温热沉温度曲线

图10 高低温循环工况温度控制曲线图

从图8、9、10可以看出，系统运行平稳，采用串级PID控制算法能够较好的抑制低温工况压力波动对系统的影响，同时较高的控制精度也验证采用此算法的合理性和有效性。

同时，系统将气氮调温系统与红外加热笼系统和油浴加热制冷一体机组相比，从表1所示：气氮调温系统相比其他系统具备可控范围大、均匀性好的优势。

表1 典型控温系统指标对比表

3 总结

4 展望

目前该系统在KM1.5设备上进行技术的验证与调试，并逐步应用到大型真空环模试验设备中。整个设计调试过程顺利，总体技术指标满足当初设计要求，但也明显的看到，低温工况时，补入的液氮的不确定性给系统造成一定的干扰，易造成循环氮气压力的波动；同时，采用的循环风机不能在低温工况下使用，且运行压力低，造成整个系统体积大，均匀性不够好的窘况。后续，将重点对液氮补液及循环风机选型上进行重点研究，完善气氮调温系统，并尽快应用到实际项目工程中。

专家简介：董德胜，男，硕士，测控系统工程师，主要从事环境模拟试验设备控制技术研究。