实现陀螺仪均匀温度场的多加热点协调温度控制装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于温度控制技术，特别设及一种针对复杂结构中巧螺仪匀温度场的温控 方法及装置。
【背景技术】
[0002] 巧螺仪是惯性导航的关键设备，由于其普遍具有较大的温度漂移系数，因此温度 的稳定性对惯性导航精度有很大影响。为了给巧螺仪提供高精度的均匀温度环境，需要对 巧螺仪进行高精度的均匀温度场控制。
[0003] 实现巧螺仪高精度的均匀温度场控制的技术困难在于；1)无冷端且结构复杂。巧 螺仪的热源分为巧螺工作发热和加热片发热，但是没有制冷源，只能通过与外界环境间散 热降温，即主动加热、被动散热。而且，巧螺仪捷联装置的几何形状非常复杂，其热流模型难 W确立。2)温度控制精度需求高。为了使巧螺仪工作在最理想的温度环境中，对温度控制 精度提出了很高的要求。稳定时巧螺仪温度的均值偏离设定值<0. rc，纹波<±0. oi5°c， 而由于Effl水平、元件精度W及运算精度的制约，一般装置往往难W满足标的要求。在工程 应用中还希望控制装置能在最短时间内使巧螺仪温度场达到设定值。鉴于W上难点，目前 暂没有能达到技术标的的控制装置可供使用。
[0004] 现有的温度控制装置多采用分立模拟功放器件或单片机系统搭建经典PID控制 器，更高级的控制装置还内建了被控模型。它们针对的往往是单个物件且散热良好的简单 巧螺仪。但对于巧螺仪捷联、加热可控散热不可控的复杂系统，不仅被控模型几乎不可确 定，经典控制装置也不能同时满足精度及速度需求。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种实现巧螺仪均匀温度场的温度控制装置，通过可变占空 比的高频PWM功率输出调制进行多个加热点协调温度控制，能快速为巧螺仪建立均匀温度 场且高精度地保持该温度场，具有不需建立对象的精确散热模型、调试容易、鲁椿性强、人 机交互合理、可靠易用的特点。
[0006] 为了达到W上目的，本发明是采取如下技术方案予W实现的：
[0007] 一种实现巧螺仪均匀温度场的多加热点协调温度控制装置，其特征在于，由信号 采集模块、核屯、运算模块和功率控制模块构成，其中，信号采集模块包括贴于巧螺仪多个测 温点的销电阻温度传感，该些传感器共同接入一个高精密低温漂电桥，该电桥得到的各传 感器差分信号经仪表放大器、A/D转换器后，由电平转换器输入至核屯、运算模块；
[000引核屯、运算模块包括DSP微处理器和协处理器，协处理器检测输入的温度设定指令 并传入DSP微处理器，DSP微处理器读取来自信号采集模块的A/D信号进行控制运算，输出 PWM控制信号至功率控制模块；
[0009] 功率控制模块包括一个PWM调理电路，来自DSP微处理器的PWM控制信号经PWM 调理电路送入MOS功率管驱动置于巧螺仪多个加热点上的加热片进行均匀温度场加热。
[0010] 上述方案中，所述测温点的数量等于加热点的数量。
[0011] 所述核屯、运算模块中设有显示屏，DSP微处理器回传的实时数据经协处理器输出 至显示屏上。所述多个加热点温度变化过程数据被保存在核屯、运算模块的内部存储器中或 核屯、运算模块的外置存储器中。
[0012] 与现有技术相比，本发明的优点是，由于将均匀温度场控制问题转化为一致性问 题，因此不需建立对象的精确散热模型；在温度保持阶段，采用了基于温度波动的高速开关 温度控制方法避免了调节控制器参数，相较于现有的技术调试容易、鲁椿性强；合理的配置 了人机交互界面，可W使操控人员直观的了解温度控制的效果并且控制其进程。
【附图说明】
[0013] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0014] 图1为本发明多加热点协调温度控制装置结构图。
[0015] 图2为本发明多加热点协调温度控制方法流程图。
[0016] 图3为本发明方法应用实例各加热点温度变化曲线图。
【具体实施方式】
[0017] 参考图1，一种实现巧螺仪均匀温度场的多加热点协调温度控制装置，包括：
[0018] 信号采集模块
[0019] 由n个销电阻温度传感器、一个高精密低温漂电桥、一个仪表放大器、一个A/D转 换器和一个电平转换器构成。高精密低温漂电桥的电路采用无感贵金属膜电阻（单电阻 误差<0. 01 %，配对误差<0. 005%，温飘<2ppm/°C )精密配对后搭建，尽可能降低电路噪声 及热漂移带来的温度测量噪声与漂移。A/D转换器采用高速高精度（〉25化SPS，真16位精 度，整体线性度误差<2LSB，温飘<2ppm/°C )多通道巧片，具有简单的通讯接口，并由高精 密低温漂低噪声化02%初始精度、2化pm/lOOOh的精度保持能力，温飘<0. 5ppm/°C，噪声 <1.加化-P)电源提供电压基准。电平转换器实现DSP微处理器与A/D巧片的通讯任务。
[0020] 核屯、运算模块
[0021] 由一个DSP微处理器、一个协处理器、一个存储器组成。DSP微处理器负责调度各 个外围设备W及运行控制算法；协处理器负责键盘和显示屏构成的人机交互设备。
[0022] 功率控制模块
[002引 由一个PWM调理电路、一个M0S功率管及n个加热片组成。DSP微处理器产生的 PWM控制信号先经过PWM调理电路变为能驱动M0S功率管的矩形波；M0S功率管采用开关速 度快、适合高频应用、低导通电阻的N沟道功率管，W降低线路损耗，减小控制信号崎变；加 热片依据所需功率不同按需定制。
[0024] 各模块之间功能协作关系如图1箭头所示；贴于巧螺仪3~6个测温点的销电阻 温度传感器接入高精密低温漂电桥，由该电桥得到的差分信号经仪表放大器、A/D转换器， 由电平转换器输入至DSP微处理器，协处理器时刻检测是否有指令从键盘输入，并传入DSP 微处理器，DSP微处理器读取A/D信号进行控制运算，输出PWM控制信号。信号经PWM调理 电路送入M0S功率管驱动置于各个加热点（与测温点数量相同）的加热片对巧螺仪进行温 度控制加热。最终各加热点温度变化过程数据被保存在存储器（可W使外置存储器）中。 DSP微处理器回传的实时数据经协处理器输出至显示屏上。
[0025] 参考图2, 一种实现巧螺仪均匀温度场的多加热点协调温度控制方法，给图1装置 上电，对DSP微处理器与协处理器进行初始化，启动各个外设。当协处理器检测到按键命令 (温度设定）后通知DSP微处理器开始温度控制运算，DSP微处理器在定时中断条件下，按 W下步骤运行：
[0026] (1)启动A/D转换，获得温度数字量数据；
[0027] (2)采用卡尔曼滤波算法对数字量数据进行滤波，减小噪声干扰，再通过内置的标 定系数对温度A/D值转换，得到各测温点实际温度值{si，S2，一s。};
[002引 （3)根据设定温度，判断各测温点温度状态，当各测温点温度均小于目标温度STsrget的85 %，进入步骤一；当任一测定点温度大于等于目标温度S 的85 %，进入步骤 二；当各测温点温度趋于一致，进入步骤=;
[0029] 步骤一，为了实现较短的升温时间，功率控制模块PWM输出信号为占空比100%， 各加热点均W最大功率加热，直到将巧螺仪任一加热点的温度由室温加热到目标温度 STa恥的 85%;
[0030] 步骤二，采取多加热点协调加热策略。各加热点PWM信号依据W上策略在0%~ 100%区间变动，最终使各加热点温度一致，形成均匀温度场，记录各PWM信号占空比终值。
[0031] 经过最大功率加热后，由于复杂的传热和散热特性，各加热点的温度差距很大，如 果继续W最大功率加热下去，各加热点的温度最终不会同时稳定在目标温度Shwt，因此需 要采取多加热点协调温度控制。
[003引假设系统有n(3~6)个加热点，且各加热点输出功率为咕，32,…a。}，又具有n个 销电阻温度传感器，测得温度为（si，S2,…S。}，多加热点协调加热的目标是调整{a。32,… a。}经历时间T = N A t，A t是时间间隔，N是经历的时间步数，使得目标温度Shwt= S 2 二…二3。= S1，即实现均匀温度场；
[0033] 假设每个时间间隔At内系统均处于近似热平衡，那么：
[0034]
(1)
[003引其中，A(s，e)是nXn矩阵，表示系统的升温特性，S = [Si S2…sjT是各加热 点当前温度，e是环境温度，[dsi ds2…dsjT是各加热点在At时刻内平均温升速率，LQ。 是等效在第n个传感器测点上的散失热量；由于LQ。非常复杂，无法直接准确获得，如果加 热点和测点布置的很接近，那么A(s，e)接近于一个对角阵，对于加热点与测点分布的比较 远的情况，A(s，e)也可W对角化，原系统可W变换成解禪系统，从而将问题转化为加热点和 测点布置很近的情况，该样解禪W后单个通道可W表示为
[0036] a; A t = A"(s, e) (dSi A t+LQi(s, e)), i = 1, 2,…n 似
[0037]将每一个解禪后的加热点视为一个智能体（Agent)，设计一种每个加热点都遵守 的简单策略，使得多个加热点的测量温度趋向一致Si= S,=…=3。= Shwt，那么实现均 匀温度场的问题可W看作一个一致性问题（consensus problem)。通过转化问题，避开了原 本采用传统控制方法需要对Aii(s，e)和lA(s，e)准确建模的问题。
[003引为了实现该一致性，在每个时间间隔At内执行W下步骤：
[0039] 第一步，W加热点i当前的温度Si和温升速率ds i来估计其达到目标温度的时间 ATi=(S Target_Si)/ds。i= 1，2,…，n;
[0040] 第二步，将加热点i达到目标温度的时间A Ti与其他加热点达到目标温度的时间 A Tj.，j声i比较，如果加热点i达到目标温度的时间A Ti最长，那么调高其加热功率为a i =a; (1+p)，否则调低其加热功率为a;= ai(1-p)，其中0<p << 1, and p< A t ;
[0041] 第S步，如果加热点i的加热功率a。。,，那么调整加热功率为a;= a。。,