摘要：針對上一代探空儀檢定用低壓環境模拟艙壓力控制系統控制精度和穩定性差、壓力傳感器和控制系統配置不合理等問題，用戶提出升級改造要求。本文介紹了新一代低壓環境模拟艙壓力控制系統的實施方案，采用了雙向控制模式，進行了方案驗證試驗，試驗結果證明控制精度和穩定性都大幅提高。

檢定探空儀的重要手段之一是在地面進行低壓環境模拟艙的測試，在用的低壓環境模拟艙結構如圖1所示。

圖1 低壓環境模拟艙結構示意圖

此低壓環境模拟艙使用過程中存在壓力控制波動較大的問題，越靠近1個大氣壓時波動越大，通過分析認為主要是以下幾方面原因引起：

（1）壓力傳感器選擇不合理，在全量程壓力範圍内傳感器誤差所占比例并不相同，從而顯示出靠近1個大氣壓時波動大和遠離1個大氣壓時波動小的現象，但實際上整體都存在較大波動，隻是壓力傳感器在1個大氣壓附近精度最高，而在遠離1個大氣壓處壓力傳感器誤差已經完全涵蓋了壓力波動範圍。

（2）壓力控制采用的是開關控制模式，真空泵和電磁閥根據壓力設定值大小同時開啟或關閉，盡管增加了儲氣罐作為緩沖，但這種半自動控制模式很難實現壓力的準确恒定。

（3）控制器并沒有采用PID自動控制方式，也是影響壓力控制精度的主要原因。

綜上分析，針對上一代探空儀檢定用低壓環境模拟艙壓力控制系統控制精度和穩定性差、壓力傳感器和控制系統配置不合理等問題，用戶提出升級改造要求。本文将介紹新一代低壓環境模拟艙壓力控制系統的實施方案，拟采用雙向控制模式，并進行方案驗證試驗，由此證明控制精度和穩定性能大幅提高。

探空儀檢定用低壓環境模拟艙工作的絕對壓力範圍為1Torr~760torr，要求在此範圍内模拟艙的壓力可以在任意設定點上準确恒定，甚至要求可以按照設定變壓速率進行控制。為此，具體的升級改造方案是在原壓力控制系統的基礎上，保留真空泵和真空電磁閥，更換壓力傳感器和控制器，去掉儲能罐，增加數控的進氣閥和排氣閥，具體方案如下：

（1）采用10torr和1000torr兩個不同量程的電容壓力計來覆蓋整個低氣壓範圍的測量，從而保證全量程的測量精度。

（2）采用高精度PID真空壓力控制器，以匹配電容壓力計的測量精度和保證控制精度。

（3）分别在真空腔體的進氣口和排氣口安裝電動針閥和電動球閥，電動針閥直接安裝在進氣口處，電動球閥安裝在排氣口和真空泵的電磁閥之間。

（4）控制方式分别采用上遊模式和下遊模式，上遊模式用來控制10torr以下氣壓，下遊控制用來控制10~760torr範圍氣壓。

（5）如圖2所示，上遊模式是維持上遊壓力和出氣口流量恒定，通過調節進氣口流量控制倉室壓力。

（6）如圖3所示，下遊模式是維持上遊壓力和進氣口流量恒定，通過調節排氣口流量控制倉室壓力。

圖2 低氣壓上遊控制模式

圖3 低氣壓下遊控制模式

針對上述兩種控制模式，分别采用1torr和1000torr兩隻電容壓力計、電動針閥、電動球閥和24位高精度壓力控制器進行了考核試驗，試驗用的真空腔體内部空間為400×400×500mm，試驗裝置如圖4和圖5所示。

圖4 低氣壓上遊控制模式考核試驗裝置

圖5 低氣壓下遊控制模式考核試驗裝置

在上遊模式試驗過程中，首先開啟真空泵後使其全速抽氣，然後在 68Pa 左右對控制器進行 PID參數自整定。自整定完成後，分别對 12、27、40、53、67、80、93 和 107Pa共8個設定點進行了控制，整個控制過程中的氣壓變化如圖6所示。

圖6 上遊模式低氣壓定點控制考核試驗曲線

在下遊模式試驗過程中，首先開啟真空泵後使其全速抽氣，并将進氣閥調節到微量進氣的位置，然後在300torr左右對控制器進行PID參數自整定。自整定完成後，分别對 70、 200、 300、450 和 600Torr 共5個設定點進行了控制，整個控制過程中的氣壓變化如圖7所示。

圖7 下遊模式低氣壓定點控制考核試驗曲線

将上述不同低氣壓恒定點處的控制效果以波動率來表示，則得到圖8和圖9所示的整個範圍内的波動率分布。從波動率分布圖可以看出，在整個低氣壓的全量程範圍内，波動率可以精确控制在±1%範圍，在12Pa處出現的較大波動，是因為采用 68Pa處自整定獲得的PID參數并不合理，需進行單獨的PID參數自整定。

圖8 上遊模式低氣壓定點控制考核試驗曲線

圖9 下遊模式低氣壓定點控制考核試驗曲線

從上述考核試驗結果可以看出，升級改造後的控制方法可以将壓力控制精度和穩定性提高五倍以上，并大幅提高了低壓環境模拟倉自動化水平和可靠性。

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