机械制冷机高稳度多级温控技术研究
发布时间：2022-10-28 22:28
随着我国对空间探测技术的探索愈加深入,红外探测技术的性能要求越来越高。以研究气候变化领域的红外基准载荷为例,目前要求红外基准载荷可以识别的温度变化为每百年不到1K,因此要求研制的红外基准载荷必须具有灵敏度高、光谱连续、光谱分辨率高的特点。红外基准载荷对制冷机冷头温度的微小变化非常敏感,所以冷头温度微小变化会影响红外基准载荷的性能要求。机械制冷机普遍采用主动闭环控温方式,即对冷头处的温度偏差值进行PID控制运算,按照PID控制器计算出的控制量输出制冷功率来反馈调节冷头温度,进而使冷头温度维持稳定。但是目前制冷机只采用主动闭环控温方式的温度稳定度不能够满足高性能红外基准载荷对冷头温度稳定度要求,因此,如何提高机械制冷机冷头处的温度稳定度成为当前需要解决的难题。针对这些问题,本文对机械制冷机实现高稳定度控温技术进行了以下几个方面的研究:首先,对斯特林型脉管制冷机工作原理进行介绍,从脉管制冷机与红外基准载荷的耦合系统提取多级控温系统数学模型,得到多级控温系统的综合传递函数。其次,根据综合传递函数提出制冷机多级控温策略:在制冷机外壳控温和制冷机主动闭环控温的基础上补充精密补偿控温装置输出小加热量...
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题的背景与意义
1.2 课题的国内外研究现状
1.2.1 机械制冷机高稳定度控温系统国内外研究现状
1.2.2 研究现状分析总结
1.3 主要研究内容、创新点及章节安排
1.3.1 主要研究内容
1.3.2 本文创新点
1.3.3 本文章节安排
第二章 制冷机多级温度控制系统组成及数学模型
2.1 机械制冷机工作原理
2.1.1 斯特林制冷机制冷原理
2.1.2 斯特林型脉管制冷机的发展
2.2 制冷机多级控温系统数学模型
2.3 制冷机温度控制系统多级控温策略
2.3.1 第一级控温策略(制冷机外壳控温)
2.3.2 第二级控温策略(制冷机主动闭环控温)
2.3.3 第三级控温策略(精密补偿加热控温)
2.4 制冷机多级控温系统设计
2.4.1 高稳定度温度传感器与运放电路设计
2.4.2 MCU模块设计
2.4.3 H桥驱动器与功率开关器设计
2.5 本章小结
第三章 制冷机多级温度控制算法
3.1 PID控制原理
3.2 数字式多级PID温度控制
3.2.1 位置式PID控制算法
3.2.2 增量式PID控制算法
3.3 多级PID参数整定分析
3.3.1 PID控制参数整定法
3.3.2 基于稳定裕度的PID参数整定方法
3.4 本章小结
第四章 制冷机的多级控温系统仿真
4.1 多级控温系统仿真分析
4.1.1 第一级和第二级联合控温时仿真分析
4.1.2 三级联合控温时仿真分析
4.2 多级温度控制算法稳定裕度分析
4.3 热负载变化对多级控温系统稳定性能影响
4.4 本章小结
第五章 实验与结果分析
5.1 机械制冷机多级控温系统实验平台
5.2 机械制冷机冷头温度特性研究
5.2.1 制冷量变化对冷头温度影响
5.2.2 精密补偿加热控温参数对冷头温度影响
5.2.3 主动闭环控温参数对冷头温度影响
5.2.4 热负载变化对冷头温度影响
5.3 多级控温系统温度稳定性
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 全文总结与主要结论
6.2 研究方向展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]探讨单片机在智能电子设备中的应用[J]. 徐洋. 山东工业技术. 2019(19)
[2]机械制冷机温控的系统仿真与分析[J]. 孟晓倩,杨宝玉,张家昆,诸经豪. 低温与超导. 2019(05)
[3]温度对红外探测器性能影响的研究[J]. 范晨亮,雷鸣,雷志勇. 国外电子测量技术. 2018(01)
[4]航天器精密控温技术研究现状[J]. 童叶龙,李国强,耿利寅. 航天返回与遥感. 2016(02)
[5]制冷机PID温度控制参数设计[J]. 刘瑶瑶,杨宝玉,吴亦农. 红外. 2016(04)
[6]SPWM逆变电源LC滤波器的研究与设计[J]. 张立广,刘正中. 电子设计工程. 2014(06)
[7]低温传感器的应用进展[J]. 吴昊,张华标,许令顺,武义锋,苏玉磊. 低温与超导. 2013(12)
[8]测量超低温用NTC热敏电阻的制备和性能研究[J]. 兰玉岐,杨思锋,陈光明,常爱民. 功能材料. 2010(S3)
[9]自校正PID在加弹机温控器中的应用研究[J]. 李培玉,谭大鹏,张鹏,倪笑斐,林搏宇. 浙江大学学报(工学版). 2006(09)
[10]测温二极管的设计原理、定标及在红外探测器中的应用[J]. 马智玲,曾戈虹,赵晋云. 红外与激光工程. 1999(03)
博士论文
[1]直线脉管集成耦合杜瓦封装设计及其关键技术研究[D]. 范广宇.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2015
[2]增益、相位裕度计算与控制器设计研究[D]. 聂卓赟.中南大学 2012
硕士论文
[1]机械制冷机高精度温控的系统仿真与实验研究[D]. 孟晓倩.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2019
[2]制冷型红外探测器组件低温热特性研究[D]. 孙闻.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2017
[3]机械制冷机温度控制算法研究[D]. 刘瑶瑶.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2016
[4]基于DSP的无刷直流电机方波驱动与正弦波驱动研究[D]. 韦啟宣.华南理工大学 2012
[5]小型制冷机温度控制算法的研究[D]. 赵鑫.东北大学 2011
[6]时滞系统PID参数稳定域研究与实验[D]. 金晶.天津科技大学 2009
[7]温控系统的智能PID控制算法研究[D]. 李科.华中科技大学 2006
[8]PID控制器参数整定方法及其应用研究[D]. 何芝强.浙江大学 2005
本文编号：3697403
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题的背景与意义
1.2 课题的国内外研究现状
1.2.1 机械制冷机高稳定度控温系统国内外研究现状
1.2.2 研究现状分析总结
1.3 主要研究内容、创新点及章节安排
1.3.1 主要研究内容
1.3.2 本文创新点
1.3.3 本文章节安排
第二章 制冷机多级温度控制系统组成及数学模型
2.1 机械制冷机工作原理
2.1.1 斯特林制冷机制冷原理
2.1.2 斯特林型脉管制冷机的发展
2.2 制冷机多级控温系统数学模型
2.3 制冷机温度控制系统多级控温策略
2.3.1 第一级控温策略(制冷机外壳控温)
2.3.2 第二级控温策略(制冷机主动闭环控温)
2.3.3 第三级控温策略(精密补偿加热控温)
2.4 制冷机多级控温系统设计
2.4.1 高稳定度温度传感器与运放电路设计
2.4.2 MCU模块设计
2.4.3 H桥驱动器与功率开关器设计
2.5 本章小结
第三章 制冷机多级温度控制算法
3.1 PID控制原理
3.2 数字式多级PID温度控制
3.2.1 位置式PID控制算法
3.2.2 增量式PID控制算法
3.3 多级PID参数整定分析
3.3.1 PID控制参数整定法
3.3.2 基于稳定裕度的PID参数整定方法
3.4 本章小结
第四章 制冷机的多级控温系统仿真
4.1 多级控温系统仿真分析
4.1.1 第一级和第二级联合控温时仿真分析
4.1.2 三级联合控温时仿真分析
4.2 多级温度控制算法稳定裕度分析
4.3 热负载变化对多级控温系统稳定性能影响
4.4 本章小结
第五章 实验与结果分析
5.1 机械制冷机多级控温系统实验平台
5.2 机械制冷机冷头温度特性研究
5.2.1 制冷量变化对冷头温度影响
5.2.2 精密补偿加热控温参数对冷头温度影响
5.2.3 主动闭环控温参数对冷头温度影响
5.2.4 热负载变化对冷头温度影响
5.3 多级控温系统温度稳定性
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 全文总结与主要结论
6.2 研究方向展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]探讨单片机在智能电子设备中的应用[J]. 徐洋. 山东工业技术. 2019(19)
[2]机械制冷机温控的系统仿真与分析[J]. 孟晓倩,杨宝玉,张家昆,诸经豪. 低温与超导. 2019(05)
[3]温度对红外探测器性能影响的研究[J]. 范晨亮,雷鸣,雷志勇. 国外电子测量技术. 2018(01)
[4]航天器精密控温技术研究现状[J]. 童叶龙,李国强,耿利寅. 航天返回与遥感. 2016(02)
[5]制冷机PID温度控制参数设计[J]. 刘瑶瑶,杨宝玉,吴亦农. 红外. 2016(04)
[6]SPWM逆变电源LC滤波器的研究与设计[J]. 张立广,刘正中. 电子设计工程. 2014(06)
[7]低温传感器的应用进展[J]. 吴昊,张华标,许令顺,武义锋,苏玉磊. 低温与超导. 2013(12)
[8]测量超低温用NTC热敏电阻的制备和性能研究[J]. 兰玉岐,杨思锋,陈光明,常爱民. 功能材料. 2010(S3)
[9]自校正PID在加弹机温控器中的应用研究[J]. 李培玉,谭大鹏,张鹏,倪笑斐,林搏宇. 浙江大学学报(工学版). 2006(09)
[10]测温二极管的设计原理、定标及在红外探测器中的应用[J]. 马智玲,曾戈虹,赵晋云. 红外与激光工程. 1999(03)
博士论文
[1]直线脉管集成耦合杜瓦封装设计及其关键技术研究[D]. 范广宇.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2015
[2]增益、相位裕度计算与控制器设计研究[D]. 聂卓赟.中南大学 2012
硕士论文
[1]机械制冷机高精度温控的系统仿真与实验研究[D]. 孟晓倩.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2019
[2]制冷型红外探测器组件低温热特性研究[D]. 孙闻.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2017
[3]机械制冷机温度控制算法研究[D]. 刘瑶瑶.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2016
[4]基于DSP的无刷直流电机方波驱动与正弦波驱动研究[D]. 韦啟宣.华南理工大学 2012
[5]小型制冷机温度控制算法的研究[D]. 赵鑫.东北大学 2011
[6]时滞系统PID参数稳定域研究与实验[D]. 金晶.天津科技大学 2009
[7]温控系统的智能PID控制算法研究[D]. 李科.华中科技大学 2006
[8]PID控制器参数整定方法及其应用研究[D]. 何芝强.浙江大学 2005
本文编号：3697403
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