大型气候实验室温度环境控制及其实现

李冬梅,吴相甫,吴敬涛,许天龙

(中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065)

大型气候实验室是一个能够精准复现高寒、高温、湿热、辐照、降雨/雪等自然界多种极端气候的环境模拟设施，利用它可对飞机等武器装备气候环境适应性进行验证考核。其中，温度环境是最重要的控制指标之一。常见的温度环境模拟控制有积分分离PID方法和模糊控制方法。这两种方法控制效果都较好，但是存在多种干扰时，积分分离PID方法产生的温度波动较大且调节时间较长，而模糊控制方法的控制精度往往不能达到要求[1-2]。

大型气候实验室温度指标依据GJB 1172—91《军用设备气候极值》和GJB 150《军用装备实验室环境试验方法》的要求进行设计，低温≤-54 ℃、高温≥+71 ℃，逐点可达，控制精度为±3 ℃。这个指标对于温度环境箱等一般的环境模拟设备属常规设计，但是大型气候实验室在实现上却存在很大问题，主要表现在3个方面[3]：① 温度环境模拟所需系统多，设备组成复杂，控制算法各不相同；② 实验室空间超大，达到10万立方米，具有大时滞、非线性的特点；③ 试验件、维护结构、照明、地坪热容均会给温度控制过程带来热负荷干扰，进行降雪、冻雨、太阳辐照等环境模拟时，实验过程产生的相变会产生较大热量，给稳定温度场带来冲击，并出现大扰动。鉴于此，有必要在分析实验室温度系统工艺流程的基础上，建立适用于实验室气候试验的温度控制方法，寻求响应迅速、抗干扰强的温度控制算法，消除温度突变对温控过程的影响，从而保证温度调节过程的升降温速率和稳态时的波动度，实现实验室温度范围内各工况的精确控制，达到试验考核的要求。

1 多系统协调运行控制策略

大型气候实验室温度模拟由制冷机组、新风机组、循环风、载冷载热、蒸汽锅炉、冷却循环水、集成控制等7大系统30余台套设备组成，如图1所示。各设备协同运行共同完成控制任务。

图1 温度环境模拟系统组成结构示意图

按照集中管理、分散控制的思路，依据操作方便、控制可靠、可扩展原则设计了环形分布式控制架构，分为管理监控层、现场控制层、现场设备层，各层分别行使不同职责，如图2所示。

图2 温度环境模拟系统控制架构

各个子系统PLC通过接收总PLC指令，下发具体控制参数到现场设备层，设备依此进行各自运行。依据温度模拟工作原理，设计了温度控制总体流程，如图3所示。

图3 温度控制总体流程

其中，需设定的环境实验室控制参数包括：

① 试验项目名称、操作员信息、试验批次；

② 自定义试验曲线，包括控制点(温度、湿度)目标值、持续时间、起止时间；

③ 选择特种试验(高温、低温、高湿、吹风、太阳辐射、降雪等)；

④ 输入斜率允许偏差值；

⑤ 输入冷热负荷量；

⑥ 每一试验段运行完毕后是否需要用户指定下一试验段开始。

实验室温度控制采用间接制冷方式，由两种载冷剂组成，共同完成-54～+71 ℃全温度段的调节。每种载冷剂对应不同的温度区间和运行方式，故根据工艺设备和运行工况的不同，将整个温度段分成6个温度区间，分别对应降温模式和升温模式，如表1所示。依此编制的降温控制模式流程和升温控制模式流程，共同形成实验室气候试验温度控制程序，从而实现对冷却水量和温度、表冷机组出水温度、新风温度、新风湿度、载冷剂切换、载冷剂温度调节、送/回风温度及送/回风湿度的控制[3]。

表1 温度控制分区

2 大时滞温度控制方法[4-10]

2.1 环境室送风系统控制方式

实验室采用5条风道独立送风，上送侧回方式，每条风道均可独立控制，如图4所示。各条风道的工作模式是一样的，由风机、风阀、换热器、加湿器等设备组成，图5为典型风道工作模式。

图4 实验室送风系统示意图

为了实现实验室环境温度的宽温域调节，选用LM-8和CH2Cl2两种载冷剂分别实现实验室不同温度段的调节控制。两种载冷剂在循环风管道中分别对应中高温换热器和低温换热器，采用串行布置[6]。根据控制参数目标值，调节制冷系统制冷量、循环风系统送风量、载冷载热系统载冷剂温度、载冷/载热循环管路混温阀门开度，进而控制换热器进口载冷剂温度，以满足换热器出口温度，离心风机将冷(热)量由送风口带入环境室内，与试验区域空气进行混合，驱动实验室内空气循环，从而完成环境温度的控制过程。

2.2 温度控制算法

由于实验室系统具有大时滞、干扰项多等特点，如果采用传统的单回路PID反馈控制算法，当实验室温度偏离设定值，PID根据产生偏差的大小和方向，通过改变换热器载冷剂调节阀的开度，使实验室温度重新回到设定值，这种控制方案的控制质量很差，很难达到控制的要求。究其原因，环境模拟实验室可近似为一个有滞后的一阶惯性系统[5]，若载冷剂温度发生波动，必将导致换热器后的送风温度发生变化，循环风再由送风段的旋流风口进入实验室，经过一段时间的混合后，实验室的温度才会出现偏差，控制系统才能发现干扰的存在，进而改变载冷剂调节阀的开度，并对实验室温度加以控制。但这一过程要经历换热器的热传递、处理空气进入实验室与空气重新混合，这是一个时间滞后很长的通道。当调节过程发生作用时，实验室的温度已偏离设定值很远了，造成实验室温度波动大，系统的稳定性降低。

因而，建议选用图6所示的具有双回路的串级控制。该系统有两个闭合回路，内环的闭合回路选择距离调节阀较近、滞后时间小的送风温度作为副被控变量，而主被控变量即为外环的实验室温度。外环PID的输入是实验室期望温度，其与实验室温度反馈值作差再由PID计算出送风温度，并作为内环PID的输入，内环PID计算出载冷剂回液阀和旁通阀的开度，调节换热器进口的载冷剂温度，从而改变送风温度，达到控制室内温度的目的。由于内环副回路通道短、滞后小、控制及时，使送风温度的控制品质得到了提高，可以有效克服载冷剂温度带来的波动，加快响应速度。

图6 前馈-串级PID控制框图

基于以上分析，实验室温度调节采用恒流量变温度控制方式和前馈-串级PID算法，即在一次循环系统中，通过制冷机组或蒸汽对载冷剂进行预调试，通过一次温度调节将载冷剂温度调节至与目标温度相差8～12 ℃。二次循环时工艺原理图如图7所示，通过调节回液阀和旁通阀的开度来调整从一次循环中的取液量，进而调节换热器中载冷剂的入口温度T3，控制换热器出口出风温度T5，从而实现对环境室内的温度控制。

图7 二次循环工艺原理图

3 大扰动环境场温度稳定性控制方法

在实验室进行降雪、降雾和太阳辐照试验时，均会带来大量的附加热载，给稳定的环境场造成冲击，引起温度波动。

以降雪试验为例，以下两点因素会影响温度场的稳定性：① 降雪过程液态水将转变成固态水，会释放大量热量，引起环境温度上升；② 长时间降雪导致环境湿度升高，进而引发换热器结霜，使换热效率快速下降，环境温度因此上升。

气候实验室详细设计时，分别对-10 ℃、-15 ℃和-25 ℃降雪热负荷进行过计算，其中-25 ℃时热负荷最大，达到3079 kW。

根据公式Q=Cp·mair·ΔT(其中Cp为空气比热容(1.006 J/kg·℃)，mair为空气质量流量)，按照试验时送风量为240 m3/h，空气密度为1.42 kg/m3计算，可以得到ΔT=8.98 ℃，即-25 ℃降雪试验会给环境场带来近9 ℃温升。为此，设计了以下控制策略来克服热负荷干扰。

① 采用内环+前馈控制：如图6所示，将外环回风控改为内环送风控，提前调整前馈值进行干预。

② 监控换热器前后压差，当压差ΔP>400 Pa时，进行单风道交替融霜操作。

4 验证与分析

在某型飞机低温试验时，包含了-25 ℃降雪、-40 ℃低温和-50 ℃极寒3种环境工况，要求控制精度±3 ℃。依据上述研究设计了温度控制程序，并优化降雪试验控制方法，运行全过程控制曲线如图8所示。

图8 温度控制曲线

结果表明：

① 按照实验室多系统协调运行策略优化机组加减载程序，保证了稳态时温度波动度在-1～1 ℃范围内，升降温速率满足要求。

② 在开始降雪前，预降环境温度比实际控制温度低2～3 ℃，以提前释放附加热负荷冲击。之后将控制方式由回风控改为送风控，调整送风偏差前馈量ΔT=6～8 ℃，造雪机开始工作。由图8曲线可以看出：在降雪试验刚开始时，由于水的相变带来的瞬时热负荷导致室内温度快速回升到-23 ℃左右后开始下降，然后逐渐趋于稳定，保持在(25±1)℃范围内。

③ 整个温度区间曲线平滑，温度精度始终维持在±3 ℃以内，温度波动和升降温速率均满足试验要求。

5 结论

通过分析大型气候实验室温度环境模拟系统工作模式和控制流程，提出了一种在单回路PID算法基础上采用串级双回路控制的方法，设计了基于前馈-串级PID的复合温度控制系统。试验结果表明：

① 按照温度模式控制流程定义的系统开机逻辑和运行方式，能够覆盖实验室要求的温度范围，实现逐点可达。

② 前馈-串级PID的温度控制算法响应迅速，抗干扰强。

③ 降雪试验采用提前预冷+增大送风温差的方式，有效抑制了附加热载带来的环境温度突变。

综上，所设计的控制系统和控制策略能够跟踪期望温度目标谱，实现全温度段的有效控制，达到了预期目标。