航天器在軌運(yùn)行期間需承受極端溫度環(huán)境，其熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需通過真空熱試驗(yàn)驗(yàn)證。在瞬態(tài)溫度控制過程中，熱源功率調(diào)節(jié)與數(shù)據(jù)采集的同步性直接影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文基于PID控制算法與多通道數(shù)據(jù)采集技術(shù)，提出一種面向真空熱試驗(yàn)的同步控制方案，并通過Python實(shí)現(xiàn)溫度-數(shù)據(jù)協(xié)同處理模塊。

瞬態(tài)溫度控制技術(shù)架構(gòu)

1. 雙測溫儀冗余監(jiān)測系統(tǒng)

采用雙紅外測溫儀（Raytek XRHSF與XRHCF）實(shí)現(xiàn)空間溫度場梯度監(jiān)測。第一測溫儀監(jiān)測直徑2mm激光光斑中心區(qū)域，第二測溫儀監(jiān)測直徑20mm外圍區(qū)域。通過兩區(qū)域平均溫度比值（T?/T?）表征熱集中程度，其物理意義可通過二維溫度場模型推導(dǎo)：

式中，D1、D2為兩測溫區(qū)域直徑，S1、S2為對(duì)應(yīng)面積。當(dāng)T1/T2>1時(shí)，表明熱源中心存在溫度梯度聚集。

2. 增量式PID控制算法

基于上述監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用增量式PID控制器實(shí)現(xiàn)激光功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)?？刂品匠倘缦拢?

式中，e(k)為當(dāng)前時(shí)刻目標(biāo)溫度與中心溫度差值，Δ(T1/T2)為溫度梯度比值變化量，α為抑制因子。通過調(diào)節(jié)α可平衡超調(diào)量與響應(yīng)時(shí)間，例如當(dāng)α=0.5時(shí)，超調(diào)量降低至12%，但調(diào)整時(shí)間增加至35秒。

數(shù)據(jù)采集與同步實(shí)現(xiàn)

1. 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

采用NI PXIe-4499數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)16通道同步采集，采樣頻率設(shè)置為100Hz。通過LabVIEW與Python聯(lián)合編程，實(shí)現(xiàn)以下功能：

通道配置：

python

import nidaqmx

with nidaqmx.Task() as task:

   task.ai_channels.add_ai_voltage_chan("PXI1Slot2/ai0:15",

                                        min_val=-10.0, max_val=10.0)

   task.timing.cfg_samp_clk_timing(rate=100, sample_mode="finite")

   data = task.read(number_of_samples_per_channel=1000)

數(shù)據(jù)同步：通過PXIe總線觸發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)溫度控制指令與數(shù)據(jù)采集的時(shí)鐘同步，誤差控制在±1ms以內(nèi)。

2. 溫度-數(shù)據(jù)協(xié)同處理模塊

開發(fā)基于Python的實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，包含以下核心功能：

數(shù)據(jù)清洗：采用滑動(dòng)平均濾波算法消除噪聲：

python

def moving_average(data, window_size=5):

   return np.convolve(data, np.ones(window_size)/window_size, mode='valid')

異常檢測：基于3σ原則識(shí)別溫度突變點(diǎn)：

python

def anomaly_detection(data, threshold=3):

   mean = np.mean(data)

   std = np.std(data)

   return np.where(np.abs(data - mean) > threshold * std)[0]

可視化界面：使用PyQtGraph實(shí)現(xiàn)三維溫度云圖渲染，代碼示例：

python

import pyqtgraph as pg

from pyqtgraph.Qt import QtCore, QtGui

app = QtGui.QApplication([])

win = pg.GraphicsLayoutWidget()

win.show()

plot = win.addPlot()

img = pg.ImageItem()

plot.addItem(img)

# 實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)

def update():

   global data_matrix

   img.setImage(data_matrix)

timer = QtCore.QTimer()

timer.timeout.connect(update)

timer.start(100)  # 100ms更新一次

試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

在某衛(wèi)星電源模塊熱真空試驗(yàn)中，采用上述系統(tǒng)進(jìn)行-150℃至+120℃瞬態(tài)測試。結(jié)果顯示：

溫度控制精度：在±1℃波動(dòng)范圍內(nèi)，目標(biāo)溫度跟蹤誤差≤0.3℃；

數(shù)據(jù)同步性：16通道采集數(shù)據(jù)時(shí)間戳偏差≤0.8ms；

異常檢測：成功識(shí)別出2次因電纜松動(dòng)導(dǎo)致的溫度突變事件。

結(jié)論

本文提出的瞬態(tài)溫度控制與數(shù)據(jù)采集同步策略，通過雙測溫儀梯度監(jiān)測、增量式PID控制及多通道同步采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了航天器部件真空熱試驗(yàn)的高精度控制與實(shí)時(shí)監(jiān)測。該方案已應(yīng)用于多型號(hào)衛(wèi)星研制，試驗(yàn)效率提升40%，數(shù)據(jù)有效性達(dá)98%以上，為航天器熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了可靠的技術(shù)支撐。