卫星用车载空调装置测控系统的研制与试验分析

摘 要：根据卫星用运输车空调装置所要达到的技术指标，采用多级净化、二次回风和模糊-PID控制技术，提出了一套高可靠性的环境参数控制方案。测控系统调试完成后，通过实地考核试验，其测试数据完全符合设计要求，为特殊空调的设计开发提供了参考。

关键词：车载空调 环境参数 模糊PID控制

前言

我国研制的某种型号的卫星在发射之前，从安装工厂运输到发射塔架，大约需要数小时的运输时间。由于卫星携带的电子和光学仪器越来越精密，它们对环境参数的要求也越来越高[1-2]，因而在运输过程中对装有卫星的整流罩内的空气品质有严格的要求，需在卫星运输车上安装一套特殊的空调装置，以控制其各项参数--温度、湿度、压力及净化指标，以满足卫星罩内空气的技术要求。

1 研制要求及装置特点

1.1 研制要求

卫星车载空调装置使用地区气候条件恶劣，温度可控范围－20℃～35℃，相对湿度15%～85%，卫星罩内空气必须处于50Pa以上的正压，并保证其洁净度达到10万级。

车载空调系统在运行过程中必须安全、可靠、温湿度波动小；卫星罩内的工况应在规定的温度、相对湿度范围内可任意调节；温度控制精度为±0.5℃，相对湿度控制精度±4％；由初始状态调到规定范围内任一状态的时间快速等要求。

1.2 空调装置特点

由于该系统的特殊性，要求系统工作可靠、节省投资及操作简单，通过大量计算分析和多种方案对比[2-3]，确定了如图1所示的空气处理方案，以确保卫星罩内的空调参数符合技术要求。

新风通过设置在车顶的新风口由新风风机吸入新风管道，然后新风通过粗效过滤器进入空调箱内与回风混合后经过蒸发器冷却去湿、加热器和加湿器的加热加湿、中效过滤器和高效过滤器的净化处理，达到所要求的送风状态。对罩内空气洁净度、总挥发性有机物以及非挥发性残留物总量要进行测试。另外，车载空调系统在运行过程中，要补充罩内泄漏的空气，尤其是保证相对湿度最低达到15％，所以回风系统采用一次回风和二次回风相结合的方式。在风道上设置二次回风管路，加上变频风机调节风量，达到去湿和防结霜的目的，保证工况稳定。空调装置流程见图1所示： 图1 卫星牵引车车载空调系统流程图 2 测控系统的研制

2.1 总体设计方案

卫星用空调装置自动监控系统涉及的控制对象有3个，即回风温度、回风湿度和罩内压力。由于空调环境控制参数精度要求高，且系统运行绝对可靠，所以设计着重从高精度和可靠性方面考虑。

在工况参数测量方面，采用品质优良、精度高的压力、压差变送器和温度、湿度传感器，经过信号转换、隔离后，送入数据采集仪。数据采集仪通过数据总线与计算机进行数据通讯。在工况调节方面。采用单回路闭环调节方式，把传统的PID控制技术引到模糊控制器中[4]，充分发挥模糊控制鲁棒性较好的特点，构成模糊－PID自动调节控制器。

图2 监控软件结构流程

另外，为了增加系统的可靠性和加快空调系统参数进入控制范围的速度，增加了一套人工控制系统。在系统设备控制方面，由于用户特殊要求采用继电器控制。

本系统软件是基于WINDOWS操作平台开发的计算机测控软件，其功能不仅限于单纯的数据采集，更增加了管理与数据分析等后处理功能；可进行数据采集通道参数设置、系统管理和试验历史记录查询、测试结果趋势曲线分析、打印试验记录数据及曲线等多种工作。测控系统硬件结构为现场传感器、变送器和执行器、智能数字指示调节仪，计算机集中采集、处理。其结构流程图如图2所示。

2.2 受控对象动态特性分析

空调系统的受控对象是卫星罩，相关的被调量是罩内的温度、相对湿度以及压力。总的来说，受控对象有两个通道：控制通道和扰动通道，也可称为内扰通道和外扰通道。当温度作为被调量时，受控对象如图3，扰动通道有两个，一是卫星罩内的热量输出N1(S)，主要是空气处理箱内风机的功率转化的热量、罩内和风管的漏热以及卫星本身的热量，其动态特性为W1(S)；二是制冷机组的冷量输出N2(S)，其动态特性为W2(S)。受控对象还有一个控制通道，就是电加热器的热量输出U(S)，其大小是由控制器根据被调量与设定值之间的偏差按其内置算法决定，其动态特性为W0(S)。对于卫星罩内温度被调量，可以通过对U(S)的调节，平衡N1(S)、N2(S)，以得到设定的温度。同理相对湿度、压力作为被调量时, 也如图3 温度被调节时的受控对象进行分析。

图3 温度被调节时的受控对象

2.3 PID模糊控制器的工程自整定

从上面的系统受控对象分析可知，本系统的控制对象是卫星罩内空气的温度、湿度以及压力，并且整个空气调节系统是一个大惯性、大滞后环节，存在严重的非线性特性，需要建立起空气调节的精确模型，这就给用PID控制的空气环境系统带来困难，使得对PID参数的整定在很大程度上依赖于具有丰富经验的工程技术人员，导致调试困难和控制效果不理想。针对这种情况，采用参数自调整Fuzzy-PID的方法来弥补这种空调系统没有精确模型，难以整定PID参数的问题。由于使用模糊控制器,可以不依赖于系统精确的数学模型，特别适宜这种复杂系统(或过程)与模糊性对象的采用;同时又具有智能性和自学习性，将模糊控制中的知识表示、模糊规则与合成推理通过专家知识或成熟经验,不断学习更新;控制系统鲁棒性强、能够很好地克服动态系统中模型参数变化和非线性等不确定因素。考虑到装置涉及的实际情况，只针对单回路调节系统作出讨论。这里利用数字调节器固化的寻优方法对PID参数进行自寻优化整定，以达到优化目标函数之目的。图4给出了工程整定方法中一种自寻最优控制的模式。

图4 数字PID参数自寻最优控制系统 2.4 执行器和控制回路

执行器是构成自动控制系统中不可缺少的重要部分。它由执行机构和调节机构组成。本装置中罩内温度和相对湿度控制的执行器均为三相调功器，三相调功器根据PID调节器输出的控制信号分别调节控制电加热器和电加湿器的功率，使罩内温度和相对湿度控制在设定值。罩内压力控制的执行器为变频器，变频器根据PID调节器输出的控制信号调节风机的频率。前面分析中提到，在罩内环境处于稳定工况情况时，所有外部扰动输入都可近似认为是不变的常量，且实际控制中外部扰动与控制通道的作用相比确实比较小，因而可用单输入单输出(SISO)的控制回路来实现。卫星罩内温度控制回路由温度传感器、PID调节器、三相调功器和电加热器组成见图5；相对湿度控制回路由湿度传感器、PID调节器、三相调功器和加湿器组成；压力控制系统由压力变送器、PID调节器、变频器和风机组成。

图5 温度控制回路方框图 3 测控系统的调试与分析

在进行调节器调试之前，先要对PID调节器初始参数设置，包括信号I/O类型、响应时间、允许输入的最大值和最小值、温度超温和低温报警限制以及通讯地址等。在以上参数设置完毕后，要对PID调节器参数进行自整定的功能调试，即对控制器自动检测系统的过程特性要充分认识，并自动地计算出最佳PID参数进行调试。

3.1 温度PID控制器参数自整定

设置温度20℃、湿度38%的工况，当罩内温湿度接近设定工况时，将湿度PID控制器切换至手动，保持恒定输出，以免对系统产生干扰，再启动温度PID控制器参数自整定功能，它将强制系统产生扰动，在系统参数到达第三次波峰时参数自整定结束并自动转入自控状态，系统的惯性越大，自整定时间将越长。整定后必须进行其它工况稳定性实验检验其整定效果，图6即为PID参数自整定后温度设为40℃，湿度设为38％工况时罩内温度随时间的变化图。由图6可以看出，虽然温度PID控制器参数的自整定是在温度20℃的工况温度时进行的，但其整定结果的调节效果在温度为40℃时同样很好，曲线非常平稳，最大波动幅度不超过0.2℃。

图6 自整定后温度为40℃温度随时间变化图

3.2 湿度PID控制器参数自整定

与温度PID控制器相似，可以对湿度PID控制器进行参数自整定试验，选取自整定时的设定湿度工况为38%，然后对湿度PID控制器参数自整定后的控制效果在不同的湿度工况下进行检验，可以看出在其它工况（设置工况为20％）见图7，其湿度波动最大幅度都不超过2%，能满足技术要求。

图7 自整定后湿度为20%时湿度随时间变化图

3.3 压力PID控制器参数自整定

图8 自整定后压力为100Pa压力随时间变化图

压力PID控制器进行参数自整定试验，选取自整定时的设定压力工况为50Pa，然后在压力为100Pa时进行调节,从图8可以看出，经过参数自整定之后，压力曲线非常平稳，最大波动幅度在7Pa左右,能满足技术要求。 4 结论 从空调装置测控系统的温度、湿度以及压力调试分析及参数自整定结果看出：1.温度、湿度及压力进入工况稳定时，在远低于规定的范围内波动，设计的模糊－PID控制效果良好，既解决了车载卫星运输过程中气候瞬变而造成新风进入罩内，引起空气扰动的问题，又合理地使用了有限的电量，满足罩内空气环境控制的要求，达到了系统最大限度地节能。2.卫星车载空调装置系统自动化程度高、运行稳定、操作方便、系统工况稳定时间短、测量精度高，在多次卫星发射过程中受到使用单位的好评。该项目的成功研制为同类产品的设计以及应用提供了重要的参考价值。参考文献

1. 李兆坚. 西昌卫星发射塔空调净化设计.暖通空调[J],2000,30（5）,56-58.

2. 李兆坚,万才大.卫星电池舱空调净化系统设计[J]. 暖通空调,2003,33（2）62-643.

3. 雷新塘,徐烈,李兆慈. 卫星热管传热测试台的制冷与真空系统的设计[J].上海交通大学学报,2003,22（2）,102-104.

4. 李金川,郑智慧. 空调制冷自控系统运行与管理. 北京：中国建材工业出版社,2002