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。 　　車載空調系統(tǒng)在運行過程中必須安全、可靠、溫濕度波動?。恍l(wèi)星罩內的工況應在規(guī)定的溫度、相對濕度范圍內可任意調節(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)調到規(guī)定范圍內任一狀態(tài)的時間快速等要求。 　　1.2 空調裝置特點 　 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)星罩內的空調參數(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箱內與回風混合后經過蒸發(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，車載空調系統(tǒng)在運行過程中，要補充罩內泄漏的空氣，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，加上變頻風機調節(jié)風量，達到去濕和防結霜的目的，保證工況穩(wěn)定。空調裝置流程見圖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、回風濕度和罩內壓力。由于空調環(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。在工況調節(jié)方面。采用單回路閉環(huán)調節(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自動調節(jié)控制器。 　　另外，為了增加系統(tǒng)的可靠性和加快空調系統(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 　　空調系統(tǒng)的受控對象是衛(wèi)星罩，相關的被調量是罩內的溫度、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，也可稱為內擾通道和外擾通道。當溫度作為被調量時，受控對象如圖3，擾動通道有兩個，一是衛(wèi)星罩內的熱量輸出N1（S），主要是空氣處理箱內風機的功率轉化的熱量、罩內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)被調量與設定值之間的偏差按其內置算法決定，其動態(tài)特性為W0（S）。對于衛(wèi)星罩內溫度被調量，可以通過對U（S）的調節(jié)，平衡N1（S）、N2（S），以得到設定的溫度。同理相對濕度、壓力作為被調量時, 也如圖3 溫度被調節(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)星罩內空氣的溫度、濕度以及壓力，并且整個空氣調節(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驗的工程技術人員，導致調試困難和控制效果不理想。針對這種情況，采用參數(shù)自調整Fuzzy-PID的方法來彌補這種空調系統(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?？紤]到裝置涉及的實際情況，只針對單回路調節(jié)系統(tǒng)作出討論。這里利用數(shù)字調節(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)行機構和調節(jié)機構組成。本裝置中罩內溫度和相對濕度控制的執(zhí)行器均為三相調功器，三相調功器根據(jù)PID調節(jié)器輸出的控制信號分別調節(jié)控制電加熱器和電加濕器的功率，使罩內溫度和相對濕度控制在設定值。罩內壓力控制的執(zhí)行器為變頻器，變頻器根據(jù)PID調節(jié)器輸出的控制信號調節(jié)風機的頻率。前面分析中提到，在罩內環(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)星罩內溫度控制回路由溫度傳感器、PID調節(jié)器、三相調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調節(jié)器、三相調功器和加濕器組成；壓力控制系統(tǒng)由壓力變送器、PID調節(jié)器、變頻器和風機組成。[/align][b]3 測控系統(tǒng)的調試與分析 [/b]　　在進行調節(jié)器調試之前，先要對PID調節(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調節(jié)器參數(shù)進行自整定的功能調試，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時進行調節(jié),從圖8可以看出，經過參數(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] 從空調裝置測控系統(tǒng)的溫度、濕度以及壓力調試分析及參數(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，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)射塔空調凈化設計.暖通空調[J],2000,30（5）,56-58. 　　2. 李兆堅,萬才大.衛(wèi)星電池艙空調凈化系統(tǒng)設計[J]. 暖通空調,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