馬平昌，高飛，劉潔，劉玥，李紅

（北京強度環(huán)境研究所，北京 100076）

在環(huán)境試驗中，溫度是引起產(chǎn)品失效的重要因素之一，高低溫環(huán)境導致產(chǎn)品熱脹冷縮、性能發(fā)生變化，并且影響產(chǎn)品的壽命。隨著溫度的變化，產(chǎn)品失效的各種過程會發(fā)生劇烈的變化[1]。溫度試驗箱/艙是人工模擬環(huán)境試驗中使用時間最長、用量最大的一種設(shè)備，航空、航天、兵器、電子很多產(chǎn)品均需要在其環(huán)境內(nèi)進行性能檢測試驗[2-3]，此外溫度環(huán)境也是其他綜合試驗的基本環(huán)境[4-5]。隨著各類武器裝備的發(fā)展，各類產(chǎn)品裝備使用的環(huán)境越來越嚴苛，所以裝備環(huán)境適應性的試驗需求急劇增大，試驗方對溫度環(huán)境試驗系統(tǒng)的空間和性能也提出了更高的要求[6-8]。目前的環(huán)境試驗設(shè)備在大溫變率過程中，溫度的非線性現(xiàn)象明顯，試驗區(qū)均勻性較差[9]，而對于大空間環(huán)境試驗設(shè)備滿足其內(nèi)部的溫度均勻度是非常大的技術(shù)難題[10-11]。

為了滿足航空、航天、兵器等產(chǎn)品的試驗，并且考慮到相關(guān)產(chǎn)品的外形特點，建設(shè)了一套大負載高溫變率細長型非標高低溫試驗系統(tǒng)。其環(huán)境溫變率最高可達5 ℃/min，以滿足產(chǎn)品實測環(huán)境溫變率，并保證高低溫試驗系統(tǒng)的有效工作區(qū)溫度在升降溫階段能實現(xiàn)較好的溫度變化跟隨性，在穩(wěn)定階段具有較好的空間均勻性和波動性。

1 試驗系統(tǒng)基本要求

試驗系統(tǒng)基本要求如下：有效工作區(qū)的溫度范圍為5～50 ℃；有效負載為1.0 t（鋁）；有效工作區(qū)的環(huán)境溫變率為 5 ℃/min；有效工作區(qū)的溫度均勻度：≤2 ℃（穩(wěn)定時）；有效工作區(qū)的溫度波動度為±1 ℃；試驗艙入口溫度限制為-40～85 ℃；試驗艙有效工作區(qū)尺寸為φ1600 mm×2500 mm；試驗艙壓力為常壓。

大負載高溫變率高低溫試驗系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的溫箱，對加熱制冷方式提出了更高的要求。由于艙體高度方向尺寸較大，如何保證其有效工作區(qū)的溫度均勻度以及波動度成為設(shè)計的難點。

2 主要結(jié)構(gòu)及工作原理

高低溫試驗系統(tǒng)是采用對流換熱的方式提供所需要的試驗溫度環(huán)境，為實現(xiàn)高低溫試驗系統(tǒng)具有大負載高溫變率的能力，試驗系統(tǒng)采用大功率風道式的電阻加熱方式以及液氮霧化制冷方式。高低溫試驗系統(tǒng)主要由加熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、送風系統(tǒng)、試驗艙、控制系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)原理如圖1所示。高低溫系統(tǒng)采用閉合循環(huán)單回路方式，采用閉合循環(huán)回路充分利用試驗艙出口回氣溫度，有利于節(jié)省功率，采用單回路方式將加熱系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)集成在同一主回路有利于實現(xiàn)冷熱平衡溫度控制。

2.1 加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)主要由大功率風道式電阻式加熱器組成，考慮到有效工作區(qū)的溫度范圍為5～50 ℃，所以采用不銹鋼式的 U型加熱管，在風道內(nèi)均勻布置，并可達到擾流的作用，使加熱器與循環(huán)氣流的換熱更加充分。由于系統(tǒng)要求大負載、高溫升率，因此加熱器的功率選擇至關(guān)重要。設(shè)計考慮艙內(nèi)空氣的升溫功率Qx、系統(tǒng)負載升溫功率Qg、試驗負載升溫功率Qd以及系統(tǒng)漏熱功率 QL，考慮一定的設(shè)計余量，最終選擇電加熱器的電功率為500 kW。

各負載升溫功率計算公式為：

式中：c為定壓比熱容，J/(kg·K)；m為負載質(zhì)量，kg；為相應的溫升率，℃/s。

漏熱功率計算公式為：

式中：K為等效傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為漏熱面積m2；ΔT為試驗艙內(nèi)部與外界環(huán)境的溫差，℃。

2.2 制冷系統(tǒng)

為滿足大負載、大降溫率的設(shè)計要求，制冷系統(tǒng)主要利用液氮的汽化潛熱進行制冷，將液氮通入主管路發(fā)生汽化，進行制冷。通過調(diào)節(jié)液氮管路上的低溫流量調(diào)節(jié)閥來控制噴入主管路中的液氮量，從而控制相應的制冷功率。

由于液氮汽化膨脹會使送風管路內(nèi)的局部壓力升高，造成噴出液氮不連續(xù)，這樣會導致降溫時溫度波動較大，且會產(chǎn)生較大的溫度超調(diào)，難以控制。在液氮輸送管末端設(shè)計霧化裝置，其原理如圖2a所示。霧化裝置使高壓液氮霧化形成高速噴霧，其噴射方向順著氣流方向，高速噴霧對周圍高溫氣流進行引射，促進液氮與氣流的混合接觸，從而充分利用液氮的汽化潛熱，混合氣流經(jīng)過一定長度的混合裝置，形成溫度較為均勻的低溫氣體，經(jīng)主管路送入試驗艙。利用引射原理與霧化器霧化的共同作用，使液氮連續(xù)進入循環(huán)風道中，從而改善了低溫系統(tǒng)的控制環(huán)境。實際液氮霧化裝置效果如圖2b所示。

2.3 送風系統(tǒng)

送風系統(tǒng)采用離心風機進行循環(huán)供氣，試驗艙采用上進下回的氣流方式建立有效的試驗環(huán)境。離心風機前方設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，根據(jù)試驗艙內(nèi)負載的大小對供氣流量進行調(diào)節(jié)。試驗艙進氣端設(shè)計進氣擾流器，對試驗艙送氣進行擾動增加氣流的湍流度，從而有利于試驗艙內(nèi)溫度混合。由于試件自身的大熱容以及與試驗艙外界的熱交換，有效工作區(qū)的各環(huán)境溫度測點不可避免地具有一定的溫度梯度，所以為保證有效試驗區(qū)的各環(huán)境溫度測點具有較好的均勻度，必須對循環(huán)送風的流量進行合理設(shè)計[12-13]。

考慮實際空間含有一定的水分，空氣定壓比熱容取 cg=1.4 kJ/(kg·K)，由于試驗艙的進入最高溫度為85 ℃，考慮沿程熱量的損失，設(shè)計加熱器出口最高溫為90 ℃，取加熱器進口溫度為-20 ℃（考慮冬季環(huán)境溫度），即ΔT=110 ℃，所以送氣流量為3.25 kg/m3。考慮系統(tǒng)阻力損失，最終選擇離心風機的最大風量為10 000 N·m3/h，全壓為 3000 Pa。

此外為保證系統(tǒng)壓力正常，進而確保系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全性，在主送氣管路靠近艙體入口位置處設(shè)置安全閥。當系統(tǒng)進行加熱或制冷時，由于空氣自身的受熱膨脹或液氮氣化膨脹會導致系統(tǒng)壓力升高，一旦超過設(shè)計安全壓力時，系統(tǒng)將進行自動泄壓。

2.4 試驗艙

試驗艙用于建立有效高低溫試驗環(huán)境，由于試驗艙內(nèi)有效工作區(qū)間要求溫度均勻度≤2 ℃，溫度波動度≤±1 ℃，所以對于試驗艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了很高的要求，試驗艙的結(jié)構(gòu)直接影響工作區(qū)的溫度環(huán)境。為減小試驗艙漏熱對艙內(nèi)環(huán)境的影響，試驗艙壁采用夾層式結(jié)構(gòu)，內(nèi)箱壁采用優(yōu)質(zhì)高級不銹鋼板（SUS304），外壁采用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板，中間夾層使用導熱系數(shù)小、吸水性小、強度高、高溫下性能穩(wěn)定的隔熱材料進行保溫，同時考慮消防安全，絕熱材料中添加阻燃劑，防止溫度過高引起火災事故。

試驗艙進氣位置設(shè)計擴壓減速段，以降低來流速度，減小送風流速對于試驗產(chǎn)品的影響和流阻損失。此外一定程度地降低有效工作區(qū)的空氣流速，可以減小當?shù)乜諝馀c艙體的對流換熱能力，從而降低有效工作區(qū)高度方向的溫度梯度。由于試驗艙擴壓段的擴張比較大（穩(wěn)定段截面積/入口截面積），設(shè)計擴壓段高度為4000 mm，此時擴壓段擴張角約為14°；擴壓段內(nèi)設(shè)計導流錐，進一步防止入口氣流分離，形成漩渦”死區(qū)”，從而造成局部的高溫或低溫區(qū)；擴壓段后設(shè)計一段平直段用于穩(wěn)定來流，高度約為1000 mm，從而保證試驗艙各截面內(nèi)溫度較為均勻。有效工作區(qū)尺寸根據(jù)技術(shù)要求設(shè)計為φ1600 mm×2500 mm。試驗艙體的下段與上段結(jié)構(gòu)尺寸基本相同，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.5 控制系統(tǒng)

根據(jù)試驗需要，產(chǎn)品需要完成連續(xù)多個剖面溫度曲線的高低溫試驗，要求控制系統(tǒng)長時間運行可靠，所以選擇了西門子公司的S7-300PLC作為控制系統(tǒng)的硬件，并開發(fā)了用于試驗的高低溫控制軟件。如圖 4所示，控制系統(tǒng)分為低溫制冷控制、加熱升溫控制以及信號采集功能?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)采集的被控點溫度信號，經(jīng)過閉環(huán)控制算法，通過調(diào)節(jié)低溫電動調(diào)節(jié)閥、加熱調(diào)功模塊分別控制降溫過程和加熱升溫過程。

由于該系統(tǒng)采用對流換熱的方式，溫度控制具有慣性大、滯后的特點，傳統(tǒng)PID控制算法不能滿足高精度的溫度控制[14]。由于系統(tǒng)慣性、滯后的特點，PID控制算法中積分項不斷累積，當需要回調(diào)控制量時，PID控制算法的總輸出響應緩慢，不能及時調(diào)整控制量，所以在PID控制算法中引入了積分分離功能。

傳統(tǒng)積分分離的基本思想為：當被控量與設(shè)定值的偏差|e(k)|大于某特定值時，取消積分的作用，執(zhí)行PD控制，減少系統(tǒng)的穩(wěn)定時間；而當|e(k)|小于這個特定值時，啟動積分作用，執(zhí)行PID作用，降低穩(wěn)態(tài)誤差。該系統(tǒng)具有大慣性、大滯后的特點，變溫過程中執(zhí)行PD控制，但是比例-微分作用在溫度逼近目標值時對系統(tǒng)輸出功率起抑制作用，所以傳統(tǒng)的積分分離盡管解決了系統(tǒng)大超調(diào)的問題，但是進入穩(wěn)定階段后，逼近目標溫度所需要時間較長。

為了實現(xiàn)系統(tǒng)小超調(diào)、小穩(wěn)態(tài)誤差，快速逼近目標溫度，該控制方法對傳統(tǒng)積分分離PID方法進行了改進。通過調(diào)試試驗，設(shè)置PID控制誤差帶ε，系統(tǒng)設(shè)備輸出量U為：

當|e(k)|<ε時，啟動 PID控制，當|e(k)|>ε時，積分誤差不再累積進行保持，形成系統(tǒng)輸出的直流分量δ。由此目標溫度在進入溫度保持階段時，由于對升降溫過程積分誤差累計作用的削弱，系統(tǒng)固有滯后性所帶來的大超調(diào)現(xiàn)象得以解決，并且目標溫度實現(xiàn)了快速穩(wěn)定保持。

圖5為傳統(tǒng)PID控制算法和加改進型積分分離后的PID算法控制效果的對比。如圖5a所示，直接使用傳統(tǒng) PID算法進行控制時，系統(tǒng)升溫過程存在波動，且超調(diào)量達到 3 ℃，穩(wěn)態(tài)時存在周期波動，穩(wěn)態(tài)誤差達到2 ℃。為此，控制算法加入積分分離后，在誤差過大時，關(guān)閉積分累加。升溫過程平穩(wěn)，超調(diào)量為 1 ℃，隨后進入保溫過程，保溫過程中，無波動現(xiàn)象，控制點反饋溫度基本與設(shè)定溫度重合，穩(wěn)態(tài)誤差<0.5 ℃，如圖5b所示。由此可見，控制系統(tǒng)及控制算法滿足了試驗要求。

3 試驗結(jié)果分析

在試驗艙內(nèi)擱置真實負載，在艙體入口和出口分別設(shè)置溫度傳感器，監(jiān)測系統(tǒng)的送氣/回氣溫度，在有效工作區(qū)均勻布置4個溫度測點，并選取溫度測點1作為主控制溫度點，如圖6所示。溫度控制點的溫度范圍設(shè)定為5～50 ℃，驗證其5 ℃/min溫變率能力以及穩(wěn)態(tài)自動控制效果，試驗結(jié)果如圖7所示。

在升降溫階段中，溫控點具有良好的溫度跟隨性，滿足5 ℃/min的升降溫速率要求。升溫階段，溫度控制點的高溫超調(diào)量為2.2 ℃，隨后溫度控制點溫度逐漸趨于平穩(wěn)進行保溫，保溫階段的穩(wěn)態(tài)誤差不大于0.5 ℃；降溫階段，由于低溫制冷方式不存在大慣性的特點，所以溫度超調(diào)量較小，為0.7 ℃，隨后溫度控制點溫度逐漸趨于平穩(wěn)進行保溫，保溫階段的穩(wěn)態(tài)誤差不大于0.5 ℃。有效工作區(qū)內(nèi)的各溫度測點包括控制點、測點 2、測點 3、測點 4，保溫階段均勻性較好，保持在 2 ℃以內(nèi)。試驗艙入口的最高溫為75.3 ℃，最低溫為－19 ℃，滿足試驗艙入口溫度限制－40～85 ℃的要求。高溫保持時試驗艙進出口的溫差為 20 ℃，低溫保持時試驗艙進出口的溫差為 10℃，進出口溫差較大主要是因為進口擴壓段與出口收縮段內(nèi)流速較高導致的漏熱較大。此外高溫保持時試驗艙進出口溫差較低溫保持時大，其原因在于高溫保持時艙內(nèi)與外界環(huán)境溫差較大，導致漏熱較大。

4 結(jié)語

文中對大負載高溫變率高低溫試驗系統(tǒng)的設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)進行了闡述，介紹了一種閉合循環(huán)單回路方式的高低溫系統(tǒng)形式。通過對加熱、制冷方式的設(shè)計，滿足了試驗系統(tǒng)大負載高溫變率的要求。此外結(jié)合送風系統(tǒng)的擾流設(shè)計、低溫系統(tǒng)的引射霧化設(shè)計、試驗艙的氣動結(jié)構(gòu)設(shè)計以及使用溫度積分分離的控制策略，解決了大空間試驗艙、大負載試驗件所造成的溫度均勻度和波動度的設(shè)計難點，有效工作區(qū)各溫度測點溫度均勻度保持在2 ℃以內(nèi)，溫度波動度保持在±0.5 ℃以內(nèi)。