一種太陽能電池板溫度控制方法

2023-12-03 02:59:06

一種太陽能電池板溫度控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種應用於太空飛行器太陽電池板熱真空試驗的溫度控制方法，它以電池板表面溫度為控制對象，以紅外燈陣作為加熱器。該控制方法在標準PID算法的基礎上，通過建立紅外燈電流-功率的穩態與動態模型；整定不同溫度下比例、積分、微分參數；分段給定算法目標曲線；採用二維插值方法提高控制均勻度；引入神經網絡模型預報試件表面溫度。實現了太空飛行器太陽電池板熱真空試驗電池板表面溫度的均勻、速率可調及高精度控制。
【專利說明】一種太陽能電池板溫度控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於太陽電池板地面試驗領域，具體涉及一種用於太空飛行器太陽電池板溫度控制方法。
【背景技術】
[0002]太空飛行器的能源要靠太陽電池板來供給，為保證空間環境下能正常工作，太陽電池板都需要做熱真空試驗，以在規定的壓力與溫度條件下暴露其材料和工藝缺陷。電池板熱真空試驗中使用紅外燈陣對電池板進行加熱，通過程控電源驅動紅外燈對電池板表面進行加熱。使用熱電偶採集太陽電池板表面溫度與設定目標溫度對比，計算控制量。進行閉環控制。
[0003]現有溫度控制方法，採用的是固定參數PID算法，目前該方法存在如下問題:
[0004](I)由於在不同溫度下控制器與電池板特性不同，因此使用固定參數的控制算法會造成控制超調、震蕩。特別是當紅外燈工作在小電流狀態下，其滯後性較強，更易導致控制出現超調與震蕩。
[0005](2)目前控溫方法無法實現電池板按給定速率升、降溫。而試驗對升、降溫速率上下限做了嚴格要求。
[0006](3)在試驗過程中電池板表面溫度均勻性差。
[0007]綜上所述，目前溫度控制方法控制品質較低。為滿足試驗要求，避免出現超調、震蕩，需要試驗人員根據經驗對控制程序參數進行實時手動調節。導致試驗質量不能從根本上得到保證。

【發明內容】

[0008]有鑑於此，本發明提供了一種太陽電池板溫度控制方法，以克服現有技術中的缺陷與不足。使其具備目標溫度控制無超調，升、降溫速率可設，控制過程溫度均勻性好的能力。為實現上述目標，本發明提供如下技術方案:
[0009]本發明提出的一種太陽電池板溫度控制方法，其特徵在於，包括以下步驟:
[0010](I)使用紅外燈陣對電池板表面溫度進行分區控制，同一控制區內，多盞紅外燈對應一個溫度測點，其中，控制區內與測點距離最近的紅外燈作為主控燈；
[0011 ] (2)控制所述主控燈的工作電流；
[0012](3)以所述主控燈的工作電流驅動程控電源給主控燈供電，控制電池板表面溫度；
[0013](4)根據各控制區主控燈電流及控制區內其它紅外燈與各主控紅外燈的距離，計算得出其它紅外燈的工作電流。
[0014]優選的，控制所述主控燈的工作電流的步驟還包括:
[0015](21)設定最終控制目標值；
[0016](22)設定目標溫度曲線，根據所述目標溫度曲線，及上一周期的計算目標值得到本周期的計算目標值；
[0017](22)採集電池板表面溫度，建立神經網絡模型，根據當前及歷史的溫度值與電流值預測得出的下一採樣周期的電池板表面溫度；
[0018](23)比較所述預測得出的下一採樣周期的電池板表面溫度與計算目標值之間的偏差，獲取偏差量，對所述偏差值進行PID運算和處理，得到相應控制量增量；
[0019](24)讀取上一控制周期電流值，輸入紅外燈電流-功率模型，得到上一周期控制量將其與本周期計算得到的控制增量相加，輸入紅外燈功率-電流模型，得到本周期主控燈的工作電流。
[0020]優選的，所述PID運算的比例、積分、微分參數通過擬合電池板表面若干溫度點整定出的參數值，在控制過程中，以最終設定目標值作為函數自變量，得到比例、積分、微分參數。
[0021]優選的，所述的目標溫度曲線分為兩個階段，第一階段是在當前溫度與最終控制目標差值較大時，設定目標值按恆定速率上升或下降；第二階段是在當前溫度與最終控制目標值差值較小時，設定目標值為一上升或下降速率按指數衰減的曲線，用下式表示:
[0022]y=r-yt+yt*[1-exp(~t / T)]
[0023]式中，y為第二階段的設定目標值，r為最終控制目標值；yt表示進入第二階段時實際溫度與最終控制目標值的差值為第二階段進行時間，T為時間常數。
[0024]優選的，所述神經網絡模型使用三層前向神經網絡讀取控制系統歷史溫度數據、電流數據進行離線與在線訓練，建立模型，實現溫度預測。
[0025]優選的，所述的控制量為紅外燈輸出功率的四分之一次方，這是由於在試驗進行的真空、冷黑環境中試件熱平衡狀態用下式表示:
[0026]
αφΡ - εσΤ4
[0027]式中α為試件表面對紅外燈輻射吸收比，P為試件相對於紅外燈角係數，P為紅外燈輸出功率，ε為電池板發射率，σ為史蒂芬-波爾曼常數，T為試件表面溫度。對於試件來說，輸入為電池板表面到達熱流，輸出為溫度，為使系統輸入輸出特性趨於線性，根據上式，選取控制量為功率的四分之一次方。
[0028]優選的，所述的紅外燈電流-功率模型和紅外燈功率-電流模型，是通過在真空、冷黑環境下對紅外燈進行階梯測試，對各階梯電流對應穩態功率進行擬合得到的。
[0029]優選的，所述其它紅外燈的工作電流通過二維插值的方法得到。
[0030]優選的，該控制方法用於太空飛行器太陽電池板熱真空試驗。
[0031]本發明與現有溫度控制方法相比本發明具有以下特點和有益技術效果:
[0032](I)本發明所提出的太空飛行器太陽電池板溫度控制方法，採用分區控制。同一控制區內只有與測點距離最近的主控燈使用控制算法計算輸出電流，其餘紅外燈輸出電流按二維插值方法計算得出。使得試驗過程中，電池板表面溫度均勻好。
[0033](2)本發明所提出的PID算法偏差值根據當前計算目標值與神經網絡模型預測得到的下一周期溫度相減得出。該方法，規避了溫度採集滯後的問題，對控制效果的影響。
[0034](3)本發明所提出的太空飛行器太陽電池板溫度控制方法，其目標溫度曲線上升/下降速率可設，實際溫度速率與目標溫度速率相同。因此使得該控制方法具備升、降溫速率可設的能力。
[0035](4)本發明所提出的太空飛行器太陽電池板溫度控制方法，控制器比例、積分、微分參數根據最終控制目標值的不同而變化。該方法解決了電池板表面不同溫度狀態下被控系統特性差異較大的問題，實現了無超調控制。解決了原方法需要對控制參數頻繁進行手動調節的問題。
[0036](5)本發明所提出的太空飛行器太陽電池板溫度控制方法，建立了紅外燈電流-功率模型。對控制系統線性化提供了保障，特別是解決了紅外燈在冷態環境中，小電流工作狀態下滯後性較強的問題。克服了原方法在控制較低目標溫度時由於系統滯後導致的控制不穩定的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需使用的附圖作簡單地介紹
[0038]圖1為本發明的太空飛行器太陽電池板溫度控制系統示意圖；
[0039]圖2為本發明的太空飛行器太陽電池板溫度控制方法的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0040]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述。
[0041]本發明公開了一種太陽電池板熱溫度控制方法，以解決現有技術中溫度控制方法需要人為頻繁手動調節參數，無法設置升、降溫速率的問題。
[0042]實施例
[0043]本發明公開的電池板熱真空試驗溫度控制方法的控制系統如圖1所示，包括:
[0044]步驟Sll:給定控制目標值和升降溫速率。
[0045]步驟S12:經控制算法計算得到紅外燈工作電流。
[0046]步驟S13:根據步驟S12計算得到的紅外燈工作電流，調節程控電源輸出電流。
[0047]步驟S14:程控電源驅動紅外燈陣，對電池板表面施加相應熱流。
[0048]步驟S15:太陽電池板受紅外燈陣輸出熱流影響，表面溫度產生變化。
[0049]步驟S16:由於電池板表面溫度的變化導致其表面固定的溫度傳感器相應物理量產生變化
[0050]步驟S17:數採儀器採集溫度傳感器相應物理量，並將模擬量轉變為數字量提供給控制算法。
[0051]本發明公開的電池板熱真空試驗溫度控制方法，採用分區控制電池板表面溫度的方法。同一控制區內，多盞紅外燈對應一個溫度測點，構成一個閉環控制的對象。控制區內與測點距離最近的紅外燈為主控燈，其控制方法參閱圖2所示。其它紅外燈根據與測點鄰近紅外燈施加的電流及各自與測點鄰近紅外燈的距離，通過二維插值的方法計算得出。
[0052]參閱圖2所示為控制區內與測點距離最近紅外燈溫度控制方法的流程圖。它的計算包括以下步驟:
[0053]步驟S21:設定最終控制目標值。
[0054]步驟S22:設定升、降溫過程曲線，即目標溫度曲線，曲所述的目標溫度曲線分為兩個階段，第一階段是在當前溫度與最終控制目標差值較大時，設定目標值按恆定速率上升或下降；第二階段是在當前溫度與最終控制目標值差值較小時，設定目標值為一上升或下降速率按指數衰減的曲線，用下式表示:
[0055]y=r-yt+yt*[1-exp(~t / T)]
[0056]式中，y為第二階段的設定目標值，r為最終控制目標值；yt表示進入第二階段時實際溫度與最終控制目標值的差值為第二階段進行時間，T為時間常數。
[0057]步驟S23:根據所述目標溫度曲線，及上一周期的計算目標值得到本周期的計算目標值。
[0058]步驟S24:根據在真空、冷黑環境中，擬合電池板不同表面溫度下整定得出的比例、積分、微分參數值建立的比例、積分、微分值與溫度函數關係。以計算得目標值做為函數自變量，得到比例、積分、微分參數。
[0059]步驟S25:根據比例、積分、參數及計算得到的偏差值，進行PID運算，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，這是由於在試驗進行的真空、冷黑環境中試件熱平衡狀態用下式表示:
[0060]
αφΡ = εσΤ4
[0061]式中α為試件表面對紅外燈輻射吸收比，P為試件相對於紅外燈角係數，P為紅外燈輸出功率，ε為電池板發射率，σ為史蒂芬-波爾曼常數，T為試件表面溫度。對於試件來說，輸入為電池板表面到達熱流，輸出為溫度，為使系統輸入輸出特性趨於線性，根據上式，選取控制量為功率的四分之一次方。
[0062]步驟S26:讀取上一控制周期控制電流值
[0063]步驟S27:將上一周期控制電流輸入紅外燈電流-功率模型，得到其上一周期紅外燈輸出功率的四分之一次方。
[0064]步驟S28:將上一周期輸出功率的四分之一次方與本周期計算得到的控制增量相力口，輸入紅外燈功率-電流模型，得到本周期紅外燈所需施加的電流。
[0065]步驟S29:程控電源按指令輸出電流，驅動紅外燈。
[0066]步驟S210:紅外燈施放熱流，電池板表面溫度根據熱流的改變而變化。
[0067]步驟S211:溫度傳感器採集電池板表面溫度。
[0068]步驟S212:通過歷史溫度數據與電流數據離線訓練建立的神經網絡模型。根據施加的電流、溫度、及溫度變化量預測下一周期溫度並在線訓練，調整神經網絡的權值。以計算目標與預測溫度的差值做為偏差量提供給PID算法。
【權利要求】
1.一種太陽能電池板的溫度控制方法，包括以下步驟: (1)使用紅外燈陣對電池板表面溫度進行分區控制，同一控制區內，多盞紅外燈對應一個溫度測點，其中，控制區內與測點距離最近的紅外燈作為主控燈； (2)控制所述主控燈的工作電流； (3)以所述主控燈的工作電流驅動程控電源給主控燈供電，控制電池板表面溫度； (4)根據各控制區主控燈電流及控制區內其它紅外燈與各主控紅外燈的距離，計算得出其它紅外燈的工作電流。
2.根據權利要求1所述的太陽能電池板的溫度控制方法，其特徵在於，控制所述主控燈的工作電流的步驟還包括: (21)設定最終控制目標值； (22)設定目標溫度曲線，根據所述目標溫度曲線，及上一周期的計算目標值得到本周期的計算目標值； (22)採集電池板表面溫度，建立神經網絡模型，根據當前及歷史的溫度值與電流值預測得出的下一採樣周期的電池板表面溫度； (23)比較所述預測得出的下一採樣周期的電池板表面溫度與計算目標值之間的偏差，獲取偏差量，對所述偏差值進行PID運算和處理，得到相應控制量增量； (24)讀取上一控制周期電流值，輸入紅外燈電流-功率模型，得到上一周期控制量將其與本周期計算得到的控制增量相加，輸入紅外燈功率-電流模型，得到本周期主控燈的工作電流。
3.根據權利要求2所述的太陽能電池板的溫度控制方法，其特徵在於，所述PID運算的比例、積分、微分參數通過擬合電池板表面若干溫度點整定出的參數值，在控制過程中，以最終設定目標值作為函數自變量，得到比例、積分、微分參數。
4.根據權利要求2所述的太陽能電池板的溫度控制方法，其特徵在於，所述的目標溫度曲線分為兩個階段，第一階段是在當前溫度與最終控制目標差值較大時，設定目標值按恆定速率上升或下降；第二階段是在當前溫度與最終控制目標值差值較小時，設定目標值為一上升或下降速率按指數衰減的曲線，用下式表示:
y=r-yt+yt*[1-exp(_t/T)] 式中，y為第二階段的設定目標值，r為最終控制目標值；yt表示進入第二階段時實際溫度與最終控制目標值的差值為第二階段進行時間，T為時間常數。
5.根據權利要求2所述的太陽能電池板的溫度控制方法，其特徵在於，所述神經網絡模型使用三層前向神經網絡讀取控制系統歷史溫度數據、電流數據進行離線與在線訓練，建立模型，實現溫度預測。
6.根據權利要求2所述的太陽能電池板的溫度控制方法，其特徵在於，所述的控制量為紅外燈輸出功率的四分之一次方。
7.根據權利要求2所述的太陽能電池板的溫度控制方法，其特徵在於，所述的紅外燈電流-功率模型和紅外燈功率-電流模型，是通過在真空、冷黑環境下對紅外燈進行階梯測試，對各階梯電流對應穩態功率進行擬合得到的。
8.根據權利要求1所述的太陽能電池板的溫度控制方法，其特徵在於，所述其它紅外燈的工作電流通過二維插值的方法得到。
9.根據權利要求1所述的太陽能電池板的溫度控制方法，其特徵在於，該控制方法用於太空飛行器太陽電池板熱真空 試驗。
【文檔編號】G05D23/27GK103488216SQ201310447639
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月25日 優先權日:2013年9月25日
【發明者】馬昆, 謝吉慧, 張春瑩, 裴一飛, 劉暢, 朱琳, 李振偉 申請人:北京衛星環境工程研究所