大型氣候?qū)嶒?yàn)室溫度環(huán)境控制及其實(shí)現(xiàn)

李冬梅,吳相甫,吳敬濤,許天龍

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

大型氣候?qū)嶒?yàn)室是一個(gè)能夠精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)高寒、高溫、濕熱、輻照、降雨/雪等自然界多種極端氣候的環(huán)境模擬設(shè)施，利用它可對(duì)飛機(jī)等武器裝備氣候環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行驗(yàn)證考核。其中，溫度環(huán)境是最重要的控制指標(biāo)之一。常見(jiàn)的溫度環(huán)境模擬控制有積分分離PID方法和模糊控制方法。這兩種方法控制效果都較好，但是存在多種干擾時(shí)，積分分離PID方法產(chǎn)生的溫度波動(dòng)較大且調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，而模糊控制方法的控制精度往往不能達(dá)到要求[1-2]。

大型氣候?qū)嶒?yàn)室溫度指標(biāo)依據(jù)GJB 1172—91《軍用設(shè)備氣候極值》和GJB 150《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，低溫≤-54 ℃、高溫≥+71 ℃，逐點(diǎn)可達(dá)，控制精度為±3 ℃。這個(gè)指標(biāo)對(duì)于溫度環(huán)境箱等一般的環(huán)境模擬設(shè)備屬常規(guī)設(shè)計(jì)，但是大型氣候?qū)嶒?yàn)室在實(shí)現(xiàn)上卻存在很大問(wèn)題，主要表現(xiàn)在3個(gè)方面[3]：① 溫度環(huán)境模擬所需系統(tǒng)多，設(shè)備組成復(fù)雜，控制算法各不相同；② 實(shí)驗(yàn)室空間超大，達(dá)到10萬(wàn)立方米，具有大時(shí)滯、非線性的特點(diǎn)；③ 試驗(yàn)件、維護(hù)結(jié)構(gòu)、照明、地坪熱容均會(huì)給溫度控制過(guò)程帶來(lái)熱負(fù)荷干擾，進(jìn)行降雪、凍雨、太陽(yáng)輻照等環(huán)境模擬時(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生的相變會(huì)產(chǎn)生較大熱量，給穩(wěn)定溫度場(chǎng)帶來(lái)沖擊，并出現(xiàn)大擾動(dòng)。鑒于此，有必要在分析實(shí)驗(yàn)室溫度系統(tǒng)工藝流程的基礎(chǔ)上，建立適用于實(shí)驗(yàn)室氣候試驗(yàn)的溫度控制方法，尋求響應(yīng)迅速、抗干擾強(qiáng)的溫度控制算法，消除溫度突變對(duì)溫控過(guò)程的影響，從而保證溫度調(diào)節(jié)過(guò)程的升降溫速率和穩(wěn)態(tài)時(shí)的波動(dòng)度，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室溫度范圍內(nèi)各工況的精確控制，達(dá)到試驗(yàn)考核的要求。

1 多系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行控制策略

大型氣候?qū)嶒?yàn)室溫度模擬由制冷機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組、循環(huán)風(fēng)、載冷載熱、蒸汽鍋爐、冷卻循環(huán)水、集成控制等7大系統(tǒng)30余臺(tái)套設(shè)備組成，如圖1所示。各設(shè)備協(xié)同運(yùn)行共同完成控制任務(wù)。

圖1 溫度環(huán)境模擬系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

按照集中管理、分散控制的思路，依據(jù)操作方便、控制可靠、可擴(kuò)展原則設(shè)計(jì)了環(huán)形分布式控制架構(gòu)，分為管理監(jiān)控層、現(xiàn)場(chǎng)控制層、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，各層分別行使不同職責(zé)，如圖2所示。

圖2 溫度環(huán)境模擬系統(tǒng)控制架構(gòu)

各個(gè)子系統(tǒng)PLC通過(guò)接收總PLC指令，下發(fā)具體控制參數(shù)到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，設(shè)備依此進(jìn)行各自運(yùn)行。依據(jù)溫度模擬工作原理，設(shè)計(jì)了溫度控制總體流程，如圖3所示。

圖3 溫度控制總體流程

其中，需設(shè)定的環(huán)境實(shí)驗(yàn)室控制參數(shù)包括：

① 試驗(yàn)項(xiàng)目名稱(chēng)、操作員信息、試驗(yàn)批次；

② 自定義試驗(yàn)曲線，包括控制點(diǎn)(溫度、濕度)目標(biāo)值、持續(xù)時(shí)間、起止時(shí)間；

③ 選擇特種試驗(yàn)(高溫、低溫、高濕、吹風(fēng)、太陽(yáng)輻射、降雪等)；

④ 輸入斜率允許偏差值；

⑤ 輸入冷熱負(fù)荷量；

⑥ 每一試驗(yàn)段運(yùn)行完畢后是否需要用戶(hù)指定下一試驗(yàn)段開(kāi)始。

實(shí)驗(yàn)室溫度控制采用間接制冷方式，由兩種載冷劑組成，共同完成-54～+71 ℃全溫度段的調(diào)節(jié)。每種載冷劑對(duì)應(yīng)不同的溫度區(qū)間和運(yùn)行方式，故根據(jù)工藝設(shè)備和運(yùn)行工況的不同，將整個(gè)溫度段分成6個(gè)溫度區(qū)間，分別對(duì)應(yīng)降溫模式和升溫模式，如表1所示。依此編制的降溫控制模式流程和升溫控制模式流程，共同形成實(shí)驗(yàn)室氣候試驗(yàn)溫度控制程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水量和溫度、表冷機(jī)組出水溫度、新風(fēng)溫度、新風(fēng)濕度、載冷劑切換、載冷劑溫度調(diào)節(jié)、送/回風(fēng)溫度及送/回風(fēng)濕度的控制[3]。

表1 溫度控制分區(qū)

2 大時(shí)滯溫度控制方法[4-10]

2.1 環(huán)境室送風(fēng)系統(tǒng)控制方式

實(shí)驗(yàn)室采用5條風(fēng)道獨(dú)立送風(fēng)，上送側(cè)回方式，每條風(fēng)道均可獨(dú)立控制，如圖4所示。各條風(fēng)道的工作模式是一樣的，由風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、換熱器、加濕器等設(shè)備組成，圖5為典型風(fēng)道工作模式。

圖4 實(shí)驗(yàn)室送風(fēng)系統(tǒng)示意圖

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度的寬溫域調(diào)節(jié)，選用LM-8和CH2Cl2兩種載冷劑分別實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室不同溫度段的調(diào)節(jié)控制。兩種載冷劑在循環(huán)風(fēng)管道中分別對(duì)應(yīng)中高溫?fù)Q熱器和低溫?fù)Q熱器，采用串行布置[6]。根據(jù)控制參數(shù)目標(biāo)值，調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)制冷量、循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)量、載冷載熱系統(tǒng)載冷劑溫度、載冷/載熱循環(huán)管路混溫閥門(mén)開(kāi)度，進(jìn)而控制換熱器進(jìn)口載冷劑溫度，以滿(mǎn)足換熱器出口溫度，離心風(fēng)機(jī)將冷(熱)量由送風(fēng)口帶入環(huán)境室內(nèi)，與試驗(yàn)區(qū)域空氣進(jìn)行混合，驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣循環(huán)，從而完成環(huán)境溫度的控制過(guò)程。

2.2 溫度控制算法

由于實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)具有大時(shí)滯、干擾項(xiàng)多等特點(diǎn)，如果采用傳統(tǒng)的單回路PID反饋控制算法，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室溫度偏離設(shè)定值，PID根據(jù)產(chǎn)生偏差的大小和方向，通過(guò)改變換熱器載冷劑調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使實(shí)驗(yàn)室溫度重新回到設(shè)定值，這種控制方案的控制質(zhì)量很差，很難達(dá)到控制的要求。究其原因，環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室可近似為一個(gè)有滯后的一階慣性系統(tǒng)[5]，若載冷劑溫度發(fā)生波動(dòng)，必將導(dǎo)致?lián)Q熱器后的送風(fēng)溫度發(fā)生變化，循環(huán)風(fēng)再由送風(fēng)段的旋流風(fēng)口進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的混合后，實(shí)驗(yàn)室的溫度才會(huì)出現(xiàn)偏差，控制系統(tǒng)才能發(fā)現(xiàn)干擾的存在，進(jìn)而改變載冷劑調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，并對(duì)實(shí)驗(yàn)室溫度加以控制。但這一過(guò)程要經(jīng)歷換熱器的熱傳遞、處理空氣進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室與空氣重新混合，這是一個(gè)時(shí)間滯后很長(zhǎng)的通道。當(dāng)調(diào)節(jié)過(guò)程發(fā)生作用時(shí)，實(shí)驗(yàn)室的溫度已偏離設(shè)定值很遠(yuǎn)了，造成實(shí)驗(yàn)室溫度波動(dòng)大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。

因而，建議選用圖6所示的具有雙回路的串級(jí)控制。該系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路，內(nèi)環(huán)的閉合回路選擇距離調(diào)節(jié)閥較近、滯后時(shí)間小的送風(fēng)溫度作為副被控變量，而主被控變量即為外環(huán)的實(shí)驗(yàn)室溫度。外環(huán)PID的輸入是實(shí)驗(yàn)室期望溫度，其與實(shí)驗(yàn)室溫度反饋值作差再由PID計(jì)算出送風(fēng)溫度，并作為內(nèi)環(huán)PID的輸入，內(nèi)環(huán)PID計(jì)算出載冷劑回液閥和旁通閥的開(kāi)度，調(diào)節(jié)換熱器進(jìn)口的載冷劑溫度，從而改變送風(fēng)溫度，達(dá)到控制室內(nèi)溫度的目的。由于內(nèi)環(huán)副回路通道短、滯后小、控制及時(shí)，使送風(fēng)溫度的控制品質(zhì)得到了提高，可以有效克服載冷劑溫度帶來(lái)的波動(dòng)，加快響應(yīng)速度。

圖6 前饋-串級(jí)PID控制框圖

基于以上分析，實(shí)驗(yàn)室溫度調(diào)節(jié)采用恒流量變溫度控制方式和前饋-串級(jí)PID算法，即在一次循環(huán)系統(tǒng)中，通過(guò)制冷機(jī)組或蒸汽對(duì)載冷劑進(jìn)行預(yù)調(diào)試，通過(guò)一次溫度調(diào)節(jié)將載冷劑溫度調(diào)節(jié)至與目標(biāo)溫度相差8～12 ℃。二次循環(huán)時(shí)工藝原理圖如圖7所示，通過(guò)調(diào)節(jié)回液閥和旁通閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)整從一次循環(huán)中的取液量，進(jìn)而調(diào)節(jié)換熱器中載冷劑的入口溫度T3，控制換熱器出口出風(fēng)溫度T5，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境室內(nèi)的溫度控制。

圖7 二次循環(huán)工藝原理圖

3 大擾動(dòng)環(huán)境場(chǎng)溫度穩(wěn)定性控制方法

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行降雪、降霧和太陽(yáng)輻照試驗(yàn)時(shí)，均會(huì)帶來(lái)大量的附加熱載，給穩(wěn)定的環(huán)境場(chǎng)造成沖擊，引起溫度波動(dòng)。

以降雪試驗(yàn)為例，以下兩點(diǎn)因素會(huì)影響溫度場(chǎng)的穩(wěn)定性：① 降雪過(guò)程液態(tài)水將轉(zhuǎn)變成固態(tài)水，會(huì)釋放大量熱量，引起環(huán)境溫度上升；② 長(zhǎng)時(shí)間降雪導(dǎo)致環(huán)境濕度升高，進(jìn)而引發(fā)換熱器結(jié)霜，使換熱效率快速下降，環(huán)境溫度因此上升。

氣候?qū)嶒?yàn)室詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，分別對(duì)-10 ℃、-15 ℃和-25 ℃降雪熱負(fù)荷進(jìn)行過(guò)計(jì)算，其中-25 ℃時(shí)熱負(fù)荷最大，達(dá)到3079 kW。

根據(jù)公式Q=Cp·mair·ΔT(其中Cp為空氣比熱容(1.006 J/kg·℃)，mair為空氣質(zhì)量流量)，按照試驗(yàn)時(shí)送風(fēng)量為240 m3/h，空氣密度為1.42 kg/m3計(jì)算，可以得到ΔT=8.98 ℃，即-25 ℃降雪試驗(yàn)會(huì)給環(huán)境場(chǎng)帶來(lái)近9 ℃溫升。為此，設(shè)計(jì)了以下控制策略來(lái)克服熱負(fù)荷干擾。

① 采用內(nèi)環(huán)+前饋控制：如圖6所示，將外環(huán)回風(fēng)控改為內(nèi)環(huán)送風(fēng)控，提前調(diào)整前饋值進(jìn)行干預(yù)。

② 監(jiān)控?fù)Q熱器前后壓差，當(dāng)壓差ΔP>400 Pa時(shí)，進(jìn)行單風(fēng)道交替融霜操作。

4 驗(yàn)證與分析

在某型飛機(jī)低溫試驗(yàn)時(shí)，包含了-25 ℃降雪、-40 ℃低溫和-50 ℃極寒3種環(huán)境工況，要求控制精度±3 ℃。依據(jù)上述研究設(shè)計(jì)了溫度控制程序，并優(yōu)化降雪試驗(yàn)控制方法，運(yùn)行全過(guò)程控制曲線如圖8所示。

圖8 溫度控制曲線

結(jié)果表明：

① 按照實(shí)驗(yàn)室多系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行策略?xún)?yōu)化機(jī)組加減載程序，保證了穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度波動(dòng)度在-1～1 ℃范圍內(nèi)，升降溫速率滿(mǎn)足要求。

② 在開(kāi)始降雪前，預(yù)降環(huán)境溫度比實(shí)際控制溫度低2～3 ℃，以提前釋放附加熱負(fù)荷沖擊。之后將控制方式由回風(fēng)控改為送風(fēng)控，調(diào)整送風(fēng)偏差前饋量ΔT=6～8 ℃，造雪機(jī)開(kāi)始工作。由圖8曲線可以看出：在降雪試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)，由于水的相變帶來(lái)的瞬時(shí)熱負(fù)荷導(dǎo)致室內(nèi)溫度快速回升到-23 ℃左右后開(kāi)始下降，然后逐漸趨于穩(wěn)定，保持在(25±1)℃范圍內(nèi)。

③ 整個(gè)溫度區(qū)間曲線平滑，溫度精度始終維持在±3 ℃以?xún)?nèi)，溫度波動(dòng)和升降溫速率均滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

5 結(jié)論

通過(guò)分析大型氣候?qū)嶒?yàn)室溫度環(huán)境模擬系統(tǒng)工作模式和控制流程，提出了一種在單回路PID算法基礎(chǔ)上采用串級(jí)雙回路控制的方法，設(shè)計(jì)了基于前饋-串級(jí)PID的復(fù)合溫度控制系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：

① 按照溫度模式控制流程定義的系統(tǒng)開(kāi)機(jī)邏輯和運(yùn)行方式，能夠覆蓋實(shí)驗(yàn)室要求的溫度范圍，實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)可達(dá)。

② 前饋-串級(jí)PID的溫度控制算法響應(yīng)迅速，抗干擾強(qiáng)。

③ 降雪試驗(yàn)采用提前預(yù)冷+增大送風(fēng)溫差的方式，有效抑制了附加熱載帶來(lái)的環(huán)境溫度突變。

綜上，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)和控制策略能夠跟蹤期望溫度目標(biāo)譜，實(shí)現(xiàn)全溫度段的有效控制，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。