机械制冷机高稳度多级温控技术

机械制冷机高稳度多级温控技术

李世英

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摘要：随着国家对太空探索的不断发展，对红外探测器提出了更高的要求。在机械制冷机中，使用的是一种主动闭环控温模式，也就是对冷头处的温度偏差值进行PID控制运算，根据PID控制器计算出的控制量输出制冷功率来对冷头温度进行反馈调整，从而保持冷头温度的稳定。然而，现有的基于主动闭环控制模式的制冷系统无法达到高性能的红外参考负载对制冷系统的制冷需求，因而，如何提升制冷系统的制冷系统的制冷系统的低温稳定性，已成为亟待解决的问题。

关键词：机械制冷、多阶段温度控制、一体化模型模拟、高稳定性

1前言

随着国家航天事业的发展，对红外探测器提出了更高的要求。例如，针对气候变化的红外参考负荷，其对温度变化的探测精度要求在100年以内，这就意味着，要实现对温度变化的准确探测，分析气候变化的物理机制，判断气候变化的主要原因，并做出气候变化的预报。然而，目前的红外参考资料无法同时满足长时间、高精度和海量的气候研究需要。为满足气象条件下红外参考负载在气候变迁方面的技术需求，需发展高灵敏度、高光谱连续和高分辨率的红外参考负载。

2制冷机组的多阶段调温系统的构成和数学建模

2.1电冰箱的工作机理

现在，应用最多的是斯特林致冷器和脉管致冷器。与斯特林致冷器比较，脉管致冷器采用一条中空管道取代斯特林致冷器中的膨胀部分，具有比斯特林致冷器更简单、更可靠、更低振动和更长久的使用寿命等优点，被越来越多地用于红外线检测。

斯特林制冷机采用压缩机传动方式，将其工作介质压缩，使其在膨胀室中进行膨胀性散热，实现了对空气的冷却。斯特林致冷机的冷冻流程如图1所示，右边为压缩气缸，压缩活塞，后段冷却装置。在该图的左边，代表了一台膨胀器，它由膨胀气缸，排气管，回热器，和一台冷流量交换器组成[1]。因此，在该图右边，由一个由一个由压缩圆柱和一个由一个被压缩活塞构成的工作室称为一个被压缩的空室，在该表左边，由一个被扩张圆柱和一个被释放出来的空室叫做一个被扩张的空室。在图的中部，是一个将压力室与扩张室相连的蓄热室，其作用是将空气中的流体进行交替的流动，从而构成一个完全的热循环。

图1斯特林制冷循环示意图

2.2制冷机组温度控制的多阶段数学建模

斯特林式脉冲管致冷器由三个部件组成：蓄热器，脉冲管，以及冷却头部。根据其内部的冷指构造，可分为直线型、U型和同轴线型三种。

U形、同轴结构的脉冲制冷机与红外参考负载之间的耦联，由脉冲冷指板和杜瓦探测器组成，通过内嵌的弹性链条耦联，实现脉冲冷指板的耦联。脉管冷接头在杜瓦内与杜瓦芯柱共同封闭，但该接头对杜瓦芯柱的几何精度没有较高的需求。

2.3多段式调温技术在冰箱温控中的应用

2.3.1温度控制方案

在轨运行24小时后，在太空中受复杂外部热流作用，将引起压缩区及脉管外部温度不断变化，从而引起制冷机冷头的温度波动。在此基础上，提出了一种基于“主、辅热控、主、辅热控、精准加温”的新型控制方法，实现了对压气机及脉管外部的有效控制。在此基础上，提出了一种利用热管式的方式来进行热能控制的方法。

2.3.2二级温度控制

高性能红外参考负载对制冷系统的设计提出了更高的工作温度稳定性的需求，并对制冷系统中的制冷系统提出了更高的要求。

在目前的情况下，大部分的机械制冷机的温度控制系统都是由微控制器（MCU）、外围驱动电路、安装在冷头处的温度传感器以及运放电路、制冷机冷指和杜瓦组件组成的。采用PID控制方式，将在制冷平台上设置的温度与实际测量的温度之间存在差异，并根据比例、积分、微分等原理，对直线式压缩机的功率进行调节，再由压缩机根据制冷流量来对其进行反馈，实现闭环控温。第一、二层联合温度控制体系的温度稳定程度可达±25mK/30分钟。

3用于制冷机组温度控制的计算机模拟

3.1温度控制的多阶段模拟与分析

利用Simulink/Matlab软件包对制冷机的多级控温系统进行了模拟和分析，也就是将制冷机的冷手指及杜瓦组件、多级控温系统控制电路和控制算法综合起来，构建出了一个仿真模型。Simulink是Matlab中的一种功能模组，可以为一般线性或非线性的控制系统提供模组，还可以为特定的特定系统提供模组，如：马达模组、机构系模组、通讯系统模组等。而在Simulink软件中，对于多层温度控制系统，则可以通过相应的传输函数来模拟。

3.2热力负荷波动对温度控制的多阶段稳定性的影响

其中，反应单元是完成红外检测器检测任务的关键元件。机械致冷机利用冷手指将设置在冷平台上的响应元降温到了一个较低的温度，而多级控温系统则利用致冷机和电子加热器的两种方式来实现对响应元的低温工作环境的稳定[2]。在该反应单元上或下电时，由于电流的急剧波动，会引起制冷设备的热负荷参数的改变，因此，在假定热负荷不变的情况下，建立了多级温度控制系统的数学模型，因此，需要修改综合传递函数，并对多级温度控制系统进行模拟和分析。

4对机载制冷系统中的冷头部的温升特征

4.1冷却水容量的改变对冷却水头部温度的影响

在制冷机的主动闭环控温模式中，制冷机是利用制冷量的改变来对冷头的温度进行调整，因此，数控多级PID控制器的控制量的改变将会对冷头的温度波动起到重要作用。通过对不同工况下，不同工况下不同工况下制冷流量对头部温度的影响规律进行试验，以检验模拟分析结果的正确性，同时定量表征制冷流量变化对头部温度影响程度，从而为精确补偿加热功率提供参考值。

4.2精确补偿式调温控制参数对冷喷嘴温度的作用

试验平台所处的环境温度是26，第一步是利用主动闭环控温方式，让制冷机达到稳定阶段，其主动闭环控温参数为（0.625,0.039,0.039)，在计算机中转换成十六进制数为（0XA0,0X0A,0X0A）。在此期间，冷喷嘴的温度变化幅度为56.962K~57.022K，峰峰为60毫克/0.5小时。之后，将精确补偿加热控温进行打开，它的精确补偿加热功率为0.01W，控温参数为（0.21,0.027,0.11)，在电脑中将其转换为十六进制数为（0X36,0X07,0X1C)，当当温度低于56.992K时，将其打开。

4.3高温控制的多段式温控装置的稳定

在此基础上，依据多级PID控温参数的整定规则，基于模拟分析和稳定裕度分析所确定的初值，利用制冷机多级控温系统试验平台，对PID控温参数进行修改，最后，获得了多级控温系统的主动闭环控温参数为（0.555,0.02,0.02）和精确补偿加热控温参数为（0.234,0.227,0.273）。将其转换为十六进制式的有源闭环温度控制参数（0X9E、0X05、0X05)，以及精确补偿式的温度控制参数（0X36、0X07、0X1C）。在此基础上，实现了制冷系统的多阶段恒温稳定，稳定在±10mK/30分钟。

5小结

当前，具有高性能需求的红外参考负载对机械制冷系统的稳定性有很高的要求。在构建的机械制冷机多级控温系统试验平台中，仅对运放电路进行了检测和压制，并未从机制上对其进行处理。随后，我们可以构建一个机械制冷机多级控温系统的噪声模型，对多级温控系统中各个部件电路对噪声的贡献度进行定量，从而给出更为完美的降噪改善方案，从而确保机械制冷机多级控温系统对测温精度的高性能需求。

参考文献

[1]孙闻.制冷型红外探测器组件低温热特性研究[D].中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所),2017.

[2]范广宇.直线脉管集成耦合杜瓦封装设计及其关键技术研究[D].中国科学院研究生院(上海技术物理研究所),2015.