本發(fā)明屬于航天器大型微波天線地面真空熱試驗(yàn)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及一種用于航天器大型微波天線在地面進(jìn)行真空熱試驗(yàn)所用的吸波外熱流熱模擬系統(tǒng)控溫方法，用于提高模擬天線在軌外熱流時(shí)的控溫精度與效率。

背景技術(shù)：

航天器真空熱試驗(yàn)是在規(guī)定的真空與熱循環(huán)條件下驗(yàn)證航天器各種性能與功能的試驗(yàn)。它是航天器正樣研制階段多項(xiàng)環(huán)境模擬試驗(yàn)中的重要試驗(yàn)之一。試驗(yàn)的主要目的是使航天器在真空與熱循環(huán)條件下暴露航天器的材料和制造工藝缺陷、排除早期失效，從而大大提高了航天器在軌運(yùn)行的可靠性。

在航天器熱真空試驗(yàn)中，除了要模擬真空、低溫條件，及對(duì)航天器上組件的溫度進(jìn)行控制外，還需要進(jìn)行航天器性能綜合測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目的覆蓋性對(duì)于提高航天器研制質(zhì)量，確保任務(wù)成功非常必要。

無(wú)線測(cè)試是指采用吸波材料來(lái)替代負(fù)載，與有線測(cè)試相比，無(wú)線測(cè)試更具有優(yōu)勢(shì)。測(cè)試狀態(tài)真實(shí)，在測(cè)試時(shí)，通過(guò)可用于熱真空試驗(yàn)的吸波材料吸收微波載荷天線陣面輻射發(fā)出的電磁波，不需破壞微波載荷天線的電纜連接狀態(tài)，與在軌狀態(tài)較一致；測(cè)試配套裝備簡(jiǎn)單，在測(cè)試時(shí)，不再需要插拔上千束的電纜，只需要配套吸波裝置即可；通用性強(qiáng)，吸波材料模塊化的設(shè)計(jì)思路，可適應(yīng)各種微波載荷的測(cè)試，不需要做額外的電纜配套工作。

吸波外熱流模擬系統(tǒng)可推廣到所有微波類載荷試驗(yàn)測(cè)試中，具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)于提高航天器真空熱試驗(yàn)技術(shù)水平，提高整星及分系統(tǒng)熱試驗(yàn)測(cè)試的全面性及覆蓋性具有重要意義。參見(jiàn)中國(guó)專利201610565163.3的用于大型平面微波天線真空熱試驗(yàn)的吸波外熱流模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控溫是一個(gè)分級(jí)控制系統(tǒng)，通過(guò)控制吸波材料表面的溫度，間接控制天線表面溫度。

現(xiàn)有溫度控制方法，采用的是固定參數(shù)PID算法，目前該方法存在如下問(wèn)題：

(1)由于在不同溫度下控制器與吸波材料特性不同，且吸波材料熱容較大，因此使用固定參數(shù)的控制算法會(huì)造成控制超調(diào)、震蕩。

(2)由于吸波外熱流模擬系統(tǒng)是一個(gè)分級(jí)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)是通過(guò)實(shí)際控制對(duì)象與控制目標(biāo)之間達(dá)到熱平衡，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制目標(biāo)的溫度控制，這個(gè)過(guò)程具有較大的時(shí)滯性，且在控制過(guò)程中兩者存在一定的溫差。為了避免控制目標(biāo)出現(xiàn)超調(diào)，采用現(xiàn)有的溫度控制方法只能通過(guò)人工預(yù)判兩者之間的溫差，根據(jù)預(yù)判的溫差設(shè)置一個(gè)安全的目標(biāo)溫度，當(dāng)實(shí)際控制對(duì)象達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)溫度后，再根據(jù)此時(shí)實(shí)際控制對(duì)象與控制目標(biāo)之間的溫差調(diào)整下一步的控制目標(biāo)溫度

(3)在試驗(yàn)過(guò)程中溫度控制效率低，時(shí)間長(zhǎng)。

綜上所述，目前溫度控制方法控制品質(zhì)較低。為滿足試驗(yàn)要求，避免出現(xiàn)超調(diào)、震蕩，需要試驗(yàn)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)控制程序參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)手動(dòng)調(diào)節(jié)。導(dǎo)致試驗(yàn)質(zhì)量不能從根本上得到保證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種針對(duì)用于航天器大型微波天線的在地面進(jìn)行無(wú)線測(cè)試真空熱試驗(yàn)用的吸波外熱流模擬系統(tǒng)的溫度控制方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷與不足。使其具備目標(biāo)溫度控制無(wú)超調(diào)，提高溫度控制系統(tǒng)的控溫效率。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提出的一種針對(duì)用于航天器大型微波天線的在地面進(jìn)行無(wú)線測(cè)試真空熱試驗(yàn)用的吸波外熱流模擬系統(tǒng)的溫度控制方法，包括以下步驟：

使用薄膜加熱器對(duì)吸波材料和大型微波天線的表面溫度進(jìn)行分區(qū)控制，同一控制區(qū)內(nèi)，多個(gè)薄膜加熱器對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)；

采集吸波材料表面與大型微波天線的天線溫度；

每個(gè)控制區(qū)內(nèi)相應(yīng)的薄膜加熱器控制方法為：

根據(jù)吸波材料表面與天線的熱傳遞關(guān)系建立吸波材料表面溫度-天線表面到達(dá)熱流之間穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)模型，并進(jìn)行多次模擬試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行修正；

經(jīng)吸波材料表面溫度-天線表面到達(dá)熱流之間穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)模型計(jì)算出天線表面達(dá)到設(shè)定的到達(dá)熱流時(shí)的吸波材料表面的溫度；

經(jīng)比例-積分-微分(PID)環(huán)節(jié)比較所述吸波箱溫度與設(shè)定溫度之間的偏差，獲取偏差量，對(duì)所述偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算和處理，得到相應(yīng)控制量，控制量為加熱器輸所應(yīng)輸出功率的1/4次方；

將所得控制量輸入薄膜加熱器電流-功率模型，得出薄膜加熱器的穩(wěn)態(tài)工作于該功率下所對(duì)應(yīng)的電流值；

以該電流值驅(qū)動(dòng)程控電源給薄膜加熱器供電，控制吸波材料表面溫度。

優(yōu)選的，PID算法的比例、積分、微分參數(shù)是通過(guò)擬合吸波材料表面若干溫度點(diǎn)整定出的參數(shù)值，從而建立比例、積分、微分值與溫度函數(shù)關(guān)系得出的。

優(yōu)選的，通過(guò)模糊控制建立吸波箱加熱系統(tǒng)啟動(dòng)階段的控制方法來(lái)減少設(shè)定溫度發(fā)生變化時(shí)控溫算法的平衡時(shí)間。

進(jìn)一步地，對(duì)-100℃-100℃進(jìn)行分區(qū)，每10℃為一個(gè)分區(qū)，通過(guò)對(duì)吸波外熱流模擬系統(tǒng)的調(diào)試試驗(yàn)得到吸波材料表面在某一溫區(qū)內(nèi)時(shí)對(duì)應(yīng)分區(qū)薄膜加熱器所施加的電流，設(shè)第j分區(qū)溫度T_Fj對(duì)應(yīng)的電流為I_Fj；假定天線處于某一平衡狀態(tài)T₀，此時(shí)更改天線的設(shè)定溫度為T₁,T₁所處溫區(qū)為m,T₀所處溫區(qū)為n,則設(shè)置該薄膜加熱器啟動(dòng)電流I_Q＝I_Fk，若m＝n或|m-n|＝1，則令啟動(dòng)電流等于當(dāng)前電流，根據(jù)上述法則建立相應(yīng)模糊規(guī)則與隸屬度函數(shù)。

優(yōu)選的，該控制方法所采用的目標(biāo)溫度曲線分為兩個(gè)階段，第一階段是在當(dāng)前溫度與最終控制目標(biāo)差值較大時(shí)，設(shè)定目標(biāo)值按恒定速率上升/下降(該速率可設(shè)置)，并設(shè)定啟動(dòng)電流，第一階段使用吸波材料表面溫度作為控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)；第二階段是在當(dāng)前溫度與最終控制目標(biāo)差值較小時(shí)，設(shè)定目標(biāo)值為一上升/下降速率按指數(shù)衰減的曲線，其可用下式表示：

y＝r-yt+yt*[1-exp(-t/T)]

式中，y為第二階段的設(shè)定目標(biāo)溫度值，r為最終控制目標(biāo)；yt表示進(jìn)入第二階段時(shí)實(shí)際溫度與最終設(shè)定溫度的差值；t為第二階段進(jìn)行時(shí)間，T為時(shí)間常數(shù)。第二階段的使用天線表面溫度作為控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)，目標(biāo)值通過(guò)吸波材料表面溫度-天線表面到達(dá)熱流之間穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)模型計(jì)算得到。

優(yōu)選的，所述的PID環(huán)節(jié)計(jì)算偏差采用的吸波材料表面溫度是指，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立控制系統(tǒng)模型，根據(jù)當(dāng)前及歷史的溫度值與電流值預(yù)測(cè)得出的下一采樣周期的吸波材料表面溫度。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型使用三層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)讀取控制系統(tǒng)歷史溫度數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行離線與在線訓(xùn)練，建立模型，實(shí)現(xiàn)試件溫度預(yù)測(cè)。

本發(fā)明與現(xiàn)有溫度控制方法相比本發(fā)明具有以下特點(diǎn)和有益技術(shù)效果：

(1)本發(fā)明建立了薄膜加熱器電流-功率模型。對(duì)控制系統(tǒng)補(bǔ)償、校正提供了依據(jù)，特別是解決由于吸波材料熱容較大，系統(tǒng)滯后性較強(qiáng)的問(wèn)題?？朔嗽椒ㄓ捎谙到y(tǒng)滯后導(dǎo)致的控制不穩(wěn)定的問(wèn)題。

(2)本發(fā)明所提出的針對(duì)用于航天器大型微波天線的在地面進(jìn)行無(wú)線測(cè)試真空熱試驗(yàn)用的吸波外熱流模擬系統(tǒng)的溫度控制方法，控制器比例、積分、微分參數(shù)根據(jù)設(shè)定目標(biāo)值的不同而變化。且通過(guò)建立經(jīng)吸波材料表面溫度-天線表面到達(dá)熱流之間穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)模型，并選取多級(jí)PID對(duì)該控溫系統(tǒng)進(jìn)行控制，該方法解決了由于吸波材料表面與天線表面熱交換時(shí)兩者存在溫差引起的超調(diào)與震蕩，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)溫度的無(wú)超調(diào)控制。解決了原方法需要對(duì)控制參數(shù)頻繁進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)的問(wèn)題。

(3)本發(fā)明所提出的針對(duì)用于航天器大型微波天線的在地面進(jìn)行無(wú)線測(cè)試真空熱試驗(yàn)用的吸波外熱流模擬系統(tǒng)的溫度控制方法，當(dāng)前溫度與最終控制目標(biāo)差值較大時(shí)，可以通過(guò)模糊控制算法得到一個(gè)啟動(dòng)電流，可以提高系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)的控溫速度，并使其升降溫速率滿足一定的要求，因此使得該控制方法具備快速升降溫的能力。

(4)本發(fā)明所提出的針對(duì)用于航天器大型微波天線的在地面進(jìn)行無(wú)線測(cè)試真空熱試驗(yàn)用的吸波外熱流模擬系統(tǒng)的溫度控制方法，其目標(biāo)溫度按設(shè)定速率上升/下降，實(shí)際溫度速率與目標(biāo)溫度速率相同。因此使得該控制方法具備升、降溫速率可設(shè)的能力。

(5)本發(fā)明所提出的PID算法偏差值根據(jù)當(dāng)前目標(biāo)值與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)得到的下一周期溫度相減得出。該方法，規(guī)避了溫度采集滯后對(duì)控制效果的影響。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹

圖1為本發(fā)明的航天器大型微波天線的在地面進(jìn)行無(wú)線測(cè)試真空熱試驗(yàn)用的吸波外熱流模擬系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明的航天器大型微波天線的在地面進(jìn)行無(wú)線測(cè)試真空熱試驗(yàn)用的吸波外熱流模擬系統(tǒng)溫度控制方法的工作流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。

本發(fā)明公開(kāi)了一種航天器大型微波天線的在地面進(jìn)行無(wú)線測(cè)試真空熱試驗(yàn)用的吸波外熱流模擬系統(tǒng)的溫度控制方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中溫度控制方法需要人為頻繁手動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)，無(wú)法設(shè)置升、降溫速率的問(wèn)題。

本發(fā)明公開(kāi)的航天器大型微波天線的在地面進(jìn)行無(wú)線測(cè)試真空熱試驗(yàn)用的吸波外熱流模擬系統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)如圖1所示，

包括以下步驟：

步驟S11：根據(jù)薄膜加熱器的安裝位置劃分溫度控制分區(qū)，對(duì)吸波材料和大型微波天線的表面溫度進(jìn)行分區(qū)控制，同一控制區(qū)內(nèi)，多個(gè)薄膜加熱器對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)；給定控制目標(biāo)值和升降溫速率。

步驟S12：經(jīng)控制算法計(jì)算得到薄膜加熱器工作電流。

步驟S13：根據(jù)步驟S12計(jì)算得到的薄膜加熱器工作電流，調(diào)節(jié)程控電源輸出電流。

步驟S14：程控電源驅(qū)動(dòng)薄膜加熱器，對(duì)吸波材料表面施加相應(yīng)熱流。

步驟S15：吸波材料表面受紅外燈陣輸出熱流影響，表面溫度產(chǎn)生變化，進(jìn)而影響天線表面溫度。

步驟S16：由于吸波材料表面及天線表面溫度的變化導(dǎo)致其表面固定的溫度傳感器相應(yīng)物理量產(chǎn)生變化

步驟S17：數(shù)采儀器采集溫度傳感器相應(yīng)物理量，并將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量提供給控制算法。

本發(fā)明公開(kāi)的航天器大型微波天線的在地面進(jìn)行無(wú)線測(cè)試真空熱試驗(yàn)用的吸波外熱流模擬系統(tǒng)的溫度控制方法，采用分級(jí)控制的方法，即通過(guò)控制吸波材料表面溫度間接控制天線表面溫度的方法。同一控制區(qū)內(nèi)，多個(gè)薄膜加熱器對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制的對(duì)象?？刂茀^(qū)內(nèi)薄膜加熱器控制方法參閱圖2所示。

參閱圖2所示為控制區(qū)內(nèi)薄膜加熱器溫度控制方法的流程圖。它的計(jì)算包括以下步驟：

步驟S21：設(shè)定最終控制目標(biāo)值及升降溫速率。

步驟S22：溫度傳感器采集吸波材料表面及天線表面溫度。

步驟S23：設(shè)定升、降溫曲線。曲線分為兩個(gè)階段。第一階段為直線段，第二階段為逼近段。設(shè)置溫度曲線需配置兩個(gè)參數(shù)，直線段速率以及距最終控制目標(biāo)值多少度時(shí)開(kāi)始進(jìn)入逼近段，該值可以由吸波材料表面溫度-天線表面到達(dá)熱流之間穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)模型計(jì)算得出，設(shè)定為天線表面穩(wěn)定在目標(biāo)溫度值時(shí)，吸波材料表面溫度與天線表面溫度的差值。

步驟S24：根據(jù)設(shè)定目標(biāo)溫度與當(dāng)前溫度的差值，使用模糊控制算法得到一個(gè)啟動(dòng)電流。啟動(dòng)電流的計(jì)算方法如下：對(duì)-100℃-100℃進(jìn)行分區(qū)，每10℃為一個(gè)分區(qū)，通過(guò)對(duì)吸波外熱流模擬系統(tǒng)的調(diào)試試驗(yàn)得到吸波材料表面在某一溫區(qū)內(nèi)時(shí)對(duì)應(yīng)分區(qū)薄膜加熱器所施加的電流，設(shè)第j分區(qū)溫度T_Fj對(duì)應(yīng)的電流為I_Fj；假定天線處于某一平衡狀態(tài)T₀，此時(shí)更改天線的設(shè)定溫度為T₁,T₁所處溫區(qū)為m,T₀所處溫區(qū)為n,則設(shè)置該薄膜加熱器啟動(dòng)電流I_Q＝I_Fk，若m＝n或|m-n|＝1，則令啟動(dòng)電流等于當(dāng)前電流。

步驟S25：根據(jù)溫度曲線的配置參數(shù)，及上一周期計(jì)算的目標(biāo)值得到本周期計(jì)算目標(biāo)值。判斷當(dāng)前控制目標(biāo)溫度處在目標(biāo)溫度曲線的階段，如處于第一階段，在當(dāng)前溫度與最終控制目標(biāo)差值較大時(shí)，設(shè)定目標(biāo)值按恒定速率上升/下降(該速率可設(shè)置)，并設(shè)定啟動(dòng)電流，第一階段使用吸波材料表面溫度作為控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)；如處于第二階段，當(dāng)前溫度與最終控制目標(biāo)差值較小時(shí)，設(shè)定目標(biāo)值為一上升/下降速率按指數(shù)衰減的曲線，其可用下式表示：

y＝r-yt+yt*[1-exp(-t/T)]

式中，y為第二階段的設(shè)定目標(biāo)溫度值，r為最終控制目標(biāo)；yt表示進(jìn)入第二階段時(shí)實(shí)際溫度與最終設(shè)定溫度的差值；t為第二階段進(jìn)行時(shí)間，T為時(shí)間常數(shù)。第二階段的使用天線表面溫度作為控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)，目標(biāo)值通過(guò)吸波材料表面溫度-天線表面到達(dá)熱流之間穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)模型計(jì)算得到。

步驟S26：根據(jù)在真空、冷黑環(huán)境中，擬合吸波材料不同表面溫度下整定得出的比例、積分、微分參數(shù)值建立的比例、積分、微分值與溫度函數(shù)關(guān)系。以計(jì)算得目標(biāo)值做為函數(shù)自變量，得到比例、積分、微分參數(shù)。

步驟S27：根據(jù)比例、積分、參數(shù)及計(jì)算得到的偏差值，進(jìn)行PID運(yùn)算，得到控制量增量。得到的控制量增量量綱為功率的四分之一次方。

步驟S28：讀取上一控制周期控制電流值

步驟S29：將上一周期控制電流輸入薄膜加熱器電流-功率模型，得到其上一周期薄膜加熱器輸出功率的四分之一次方。

步驟S210：將上一周期輸出功率的四分之一次方與本周期計(jì)算得到的控制增量相加，輸入薄膜加熱器功率-電流模型，得到本周期薄膜加熱器所需施加的電流。

步驟S211：程控電源按指令輸出電流，驅(qū)動(dòng)薄膜加熱器。

步驟S212：薄膜加熱器施放熱流，吸波材料及天線表面溫度根據(jù)熱流的改變而變化。

步驟S213：溫度傳感器采集吸波材料表面及天線表面溫度。

步驟S214：通過(guò)歷史溫度數(shù)據(jù)與電流數(shù)據(jù)離線訓(xùn)練建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。根據(jù)施加的電流、溫度、及溫度變化量預(yù)測(cè)下一周期溫度并在線訓(xùn)練，調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值。以計(jì)算目標(biāo)與預(yù)測(cè)溫度的差值做為偏差量提供給PID算法。

盡管上文對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式給予了詳細(xì)描述和說(shuō)明，但是應(yīng)該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說(shuō)明書及附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。