前言 　我國研制的某種型號的衛(wèi)星在發(fā)射之前，從安裝工廠運輸?shù)桨l(fā)射塔架，大約需要數(shù)小時的運輸時間。由于衛(wèi)星攜帶的電子和光學儀器越來越精密，它們對環(huán)境參數(shù)的要求也越來越高[1-2]，因而在運輸過程中對裝有衛(wèi)星的整流罩內(nèi)的空氣品質有嚴格的要求，需在衛(wèi)星運輸車上安裝一套特殊的空調(diào)裝置，以控制其各項參數(shù)——溫度、濕度、壓力及凈化指標，以滿足衛(wèi)星罩內(nèi)空氣的技術要求。 　 [b]1 研制要求及裝置特點 [/b]　　1.1 研制要求 　衛(wèi)星車載空調(diào)裝置使用地區(qū)氣候條件惡劣，溫度可控范圍－20℃～35℃，相對濕度15%～85%，衛(wèi)星罩內(nèi)空氣必須處于50Pa以上的正壓，并保證其潔凈度達到10萬級。 　　車載空調(diào)系統(tǒng)在運行過程中必須安全、可靠、溫濕度波動小；衛(wèi)星罩內(nèi)的工況應在規(guī)定的溫度、相對濕度范圍內(nèi)可任意調(diào)節(jié)；溫度控制精度為±0.5℃，相對濕度控制精度±4％；由初始狀態(tài)調(diào)到規(guī)定范圍內(nèi)任一狀態(tài)的時間快速等要求。 　　1.2 空調(diào)裝置特點 　 由于該系統(tǒng)的特殊性，要求系統(tǒng)工作可靠、節(jié)省投資及操作簡單，通過大量計算分析和多種方案對比[2-3]，確定了如圖1所示的空氣處理方案，以確保衛(wèi)星罩內(nèi)的空調(diào)參數(shù)符合技術要求。 　 新風通過設置在車頂?shù)男嘛L口由新風風機吸入新風管道，然后新風通過粗效過濾器進入空調(diào)箱內(nèi)與回風混合后經(jīng)過蒸發(fā)器冷卻去濕、加熱器和加濕器的加熱加濕、中效過濾器和高效過濾器的凈化處理，達到所要求的送風狀態(tài)。對罩內(nèi)空氣潔凈度、總揮發(fā)性有機物以及非揮發(fā)性殘留物總量要進行測試。另外，車載空調(diào)系統(tǒng)在運行過程中，要補充罩內(nèi)泄漏的空氣，尤其是保證相對濕度最低達到15％，所以回風系統(tǒng)采用一次回風和二次回風相結合的方式。在風道上設置二次回風管路，加上變頻風機調(diào)節(jié)風量，達到去濕和防結霜的目的，保證工況穩(wěn)定?？照{(diào)裝置流程見圖1所示： 　　 [b]2 測控系統(tǒng)的研制 [/b]　　2.1 總體設計方案 　　衛(wèi)星用空調(diào)裝置自動監(jiān)控系統(tǒng)涉及的控制對象有3個，即回風溫度、回風濕度和罩內(nèi)壓力。由于空調(diào)環(huán)境控制參數(shù)精度要求高，且系統(tǒng)運行絕對可靠，所以設計著重從高精度和可靠性方面考慮。 　　在工況參數(shù)測量方面，采用品質優(yōu)良、精度高的壓力、壓差變送器和溫度、濕度傳感器，經(jīng)過信號轉換、隔離后，送入數(shù)據(jù)采集儀。數(shù)據(jù)采集儀通過數(shù)據(jù)總線與計算機進行數(shù)據(jù)通訊。在工況調(diào)節(jié)方面。采用單回路閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，把傳統(tǒng)的PID控制技術引到模糊控制器中[4]，充分發(fā)揮模糊控制魯棒性較好的特點，構成模糊－PID自動調(diào)節(jié)控制器。 　　另外，為了增加系統(tǒng)的可靠性和加快空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)進入控制范圍的速度，增加了一套人工控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)設備控制方面，由于用戶特殊要求采用繼電器控制。 本系統(tǒng)軟件是基于WINDOWS操作平臺開發(fā)的計算機測控軟件，其功能不僅限于單純的數(shù)據(jù)采集，更增加了管理與數(shù)據(jù)分析等后處理功能；可進行數(shù)據(jù)采集通道參數(shù)設置、系統(tǒng)管理和試驗歷史記錄查詢、測試結果趨勢曲線分析、打印試驗記錄數(shù)據(jù)及曲線等多種工作。測控系統(tǒng)硬件結構為現(xiàn)場傳感器、變送器和執(zhí)行器、智能數(shù)字指示調(diào)節(jié)儀，計算機集中采集、處理。其結構流程圖如圖2所示。 　　2.2 受控對象動態(tài)特性分析 　　空調(diào)系統(tǒng)的受控對象是衛(wèi)星罩，相關的被調(diào)量是罩內(nèi)的溫度、相對濕度以及壓力。總的來說，受控對象有兩個通道：控制通道和擾動通道，也可稱為內(nèi)擾通道和外擾通道。當溫度作為被調(diào)量時，受控對象如圖3，擾動通道有兩個，一是衛(wèi)星罩內(nèi)的熱量輸出N1（S），主要是空氣處理箱內(nèi)風機的功率轉化的熱量、罩內(nèi)和風管的漏熱以及衛(wèi)星本身的熱量，其動態(tài)特性為W1（S）；二是制冷機組的冷量輸出N2（S），其動態(tài)特性為W2（S）。受控對象還有一個控制通道，就是電加熱器的熱量輸出U（S），其大小是由控制器根據(jù)被調(diào)量與設定值之間的偏差按其內(nèi)置算法決定，其動態(tài)特性為W0（S）。對于衛(wèi)星罩內(nèi)溫度被調(diào)量，可以通過對U（S）的調(diào)節(jié)，平衡N1（S）、N2（S），以得到設定的溫度。同理相對濕度、壓力作為被調(diào)量時, 也如圖3 溫度被調(diào)節(jié)時的受控對象進行分析。 　　2.3 PID模糊控制器的工程自整定 　　從上面的系統(tǒng)受控對象分析可知，本系統(tǒng)的控制對象是衛(wèi)星罩內(nèi)空氣的溫度、濕度以及壓力，并且整個空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個大慣性、大滯后環(huán)節(jié)，存在嚴重的非線性特性，需要建立起空氣調(diào)節(jié)的精確模型，這就給用PID控制的空氣環(huán)境系統(tǒng)帶來困難，使得對PID參數(shù)的整定在很大程度上依賴于具有豐富經(jīng)驗的工程技術人員，導致調(diào)試困難和控制效果不理想。針對這種情況，采用參數(shù)自調(diào)整Fuzzy-PID的方法來彌補這種空調(diào)系統(tǒng)沒有精確模型，難以整定PID參數(shù)的問題。由于使用模糊控制器,可以不依賴于系統(tǒng)精確的數(shù)學模型，特別適宜這種復雜系統(tǒng)（或過程）與模糊性對象的采用;同時又具有智能性和自學習性，將模糊控制中的知識表示、模糊規(guī)則與合成推理通過專家知識或成熟經(jīng)驗,不斷學習更新;控制系統(tǒng)魯棒性強、能夠很好地克服動態(tài)系統(tǒng)中模型參數(shù)變化和非線性等不確定因素。考慮到裝置涉及的實際情況，只針對單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)作出討論。這里利用數(shù)字調(diào)節(jié)器固化的尋優(yōu)方法對PID參數(shù)進行自尋優(yōu)化整定，以達到優(yōu)化目標函數(shù)之目的。圖4給出了工程整定方法中一種自尋最優(yōu)控制的模式。 [align=left]　　2.4 執(zhí)行器和控制回路 　　執(zhí)行器是構成自動控制系統(tǒng)中不可缺少的重要部分。它由執(zhí)行機構和調(diào)節(jié)機構組成。本裝置中罩內(nèi)溫度和相對濕度控制的執(zhí)行器均為三相調(diào)功器，三相調(diào)功器根據(jù)PID調(diào)節(jié)器輸出的控制信號分別調(diào)節(jié)控制電加熱器和電加濕器的功率，使罩內(nèi)溫度和相對濕度控制在設定值。罩內(nèi)壓力控制的執(zhí)行器為變頻器，變頻器根據(jù)PID調(diào)節(jié)器輸出的控制信號調(diào)節(jié)風機的頻率。前面分析中提到，在罩內(nèi)環(huán)境處于穩(wěn)定工況情況時，所有外部擾動輸入都可近似認為是不變的常量，且實際控制中外部擾動與控制通道的作用相比確實比較小，因而可用單輸入單輸出（SISO）的控制回路來實現(xiàn)。衛(wèi)星罩內(nèi)溫度控制回路由溫度傳感器、PID調(diào)節(jié)器、三相調(diào)功器和電加熱器組成見圖5；相對濕度控制回路由濕度傳感器、PID調(diào)節(jié)器、三相調(diào)功器和加濕器組成；壓力控制系統(tǒng)由壓力變送器、PID調(diào)節(jié)器、變頻器和風機組成。[/align][b]3 測控系統(tǒng)的調(diào)試與分析 [/b]　　在進行調(diào)節(jié)器調(diào)試之前，先要對PID調(diào)節(jié)器初始參數(shù)設置，包括信號I/O類型、響應時間、允許輸入的最大值和最小值、溫度超溫和低溫報警限制以及通訊地址等。在以上參數(shù)設置完畢后，要對PID調(diào)節(jié)器參數(shù)進行自整定的功能調(diào)試，即對控制器自動檢測系統(tǒng)的過程特性要充分認識，并自動地計算出最佳PID參數(shù)進行調(diào)試。 　　3.1 溫度PID控制器參數(shù)自整定 　　設置溫度20℃、濕度38%的工況，當罩內(nèi)溫濕度接近設定工況時，將濕度PID控制器切換至手動，保持恒定輸出，以免對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，再啟動溫度PID控制器參數(shù)自整定功能，它將強制系統(tǒng)產(chǎn)生擾動，在系統(tǒng)參數(shù)到達第三次波峰時參數(shù)自整定結束并自動轉入自控狀態(tài)，系統(tǒng)的慣性越大，自整定時間將越長。整定后必須進行其它工況穩(wěn)定性實驗檢驗其整定效果，圖6即為PID參數(shù)自整定后溫度設為40℃，濕度設為38％工況時罩內(nèi)溫度隨時間的變化圖。由圖6可以看出，雖然溫度PID控制器參數(shù)的自整定是在溫度20℃的工況溫度時進行的，但其整定結果的調(diào)節(jié)效果在溫度為40℃時同樣很好，曲線非常平穩(wěn)，最大波動幅度不超過0.2℃。 　　3.2 濕度PID控制器參數(shù)自整定 　　與溫度PID控制器相似，可以對濕度PID控制器進行參數(shù)自整定試驗，選取自整定時的設定濕度工況為38%，然后對濕度PID控制器參數(shù)自整定后的控制效果在不同的濕度工況下進行檢驗，可以看出在其它工況（設置工況為20％）見圖7，其濕度波動最大幅度都不超過2%，能滿足技術要求。 　　3.3 壓力PID控制器參數(shù)自整定 　　壓力PID控制器進行參數(shù)自整定試驗，選取自整定時的設定壓力工況為50Pa，然后在壓力為100Pa時進行調(diào)節(jié),從圖8可以看出，經(jīng)過參數(shù)自整定之后，壓力曲線非常平穩(wěn)，最大波動幅度在7Pa左右,能滿足技術要求。 　　 [b]4 結論 [/b] 從空調(diào)裝置測控系統(tǒng)的溫度、濕度以及壓力調(diào)試分析及參數(shù)自整定結果看出：1.溫度、濕度及壓力進入工況穩(wěn)定時，在遠低于規(guī)定的范圍內(nèi)波動，設計的模糊－PID控制效果良好，既解決了車載衛(wèi)星運輸過程中氣候瞬變而造成新風進入罩內(nèi)，引起空氣擾動的問題，又合理地使用了有限的電量，滿足罩內(nèi)空氣環(huán)境控制的要求，達到了系統(tǒng)最大限度地節(jié)能。2.衛(wèi)星車載空調(diào)裝置系統(tǒng)自動化程度高、運行穩(wěn)定、操作方便、系統(tǒng)工況穩(wěn)定時間短、測量精度高，在多次衛(wèi)星發(fā)射過程中受到使用單位的好評。該項目的成功研制為同類產(chǎn)品的設計以及應用提供了重要的參考價值。 　 [b]參考文獻 [/b]　　1. 李兆堅. 西昌衛(wèi)星發(fā)射塔空調(diào)凈化設計.暖通空調(diào)[J],2000,30（5）,56-58. 　　2. 李兆堅,萬才大.衛(wèi)星電池艙空調(diào)凈化系統(tǒng)設計[J]. 暖通空調(diào),2003,33（2）62-643. 　　3. 雷新塘,徐烈,李兆慈. 衛(wèi)星熱管傳熱測試臺的制冷與真空系統(tǒng)的設計[J].上海交通大學學報,2003,22（2）,102-104. 　　4. 李金川,鄭智慧. 空調(diào)制冷自控系統(tǒng)運行與管理. 北京：中國建材工業(yè)出版社,2002 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　編輯：何世平