Controllo termico predittivo di una camera termovuoto per prove di qualifica spaziali

This work aims at increasing the effectiveness and efficiency of the temperature control in the thermal-vacuum chamber available at the Department of Aerospace Sciences and Technologies of Politecnico di Milano (Milan, Italy). It is used for qualification tests on industrial parts, usually from space industries, to prove their survivability in deep vacuum condition (i.e. for pressure values below 10–6 mbar), while simulating thermal cycles (from –75 °C to 200 °C ). Generally, these tests are valid if the temperature measured at a point of the component, named Thermal Reference Point (TRP), can be maintained around the reference value with a maximum deviation of ±0.5 °C for a certain period of time. However, the fulfillment of this requirement depends on the thermal characteristics of the component to be tested. Consequently, the current control system is not always able to cope with this request. In particular, to achieve the desired heat exchange conditions, the thermal-vacuum chamber uses a heat generation plant regulated by Proportional-Integral-Derivative (PID) industrial controllers and a refrigeration cycle controlled by relay logic. These controllers are totally inadequate to manage the component temperature as they are calibrated on the chamber itself, without any load inside. The main issue is represented by the component to be tested being devoid of any thermal models, thus making it impossible to develop a control system based on an analytical model of the chamber-component system. In order to solve the above-mentioned issue, this work has the objective to develop a regulator based on a predictive control algorithm that is able to identify the system and to predict its behavior at each time step, so as to calculate an appropriate input for the current step. Then we study the application of the Generalized Predictive Control (GPC) algorithm belonging to the family of the Model Predictive Control (MPC). Through the use of software-implemented algorithms, the GPC control logic is applied first to simple systems, such as mass-spring-damper systems, and then extended to the chamber control. The peculiarity of such a controller is the ability to identify the system that it is called upon to control, without requiring any a priori knowledge of the system. We study and apply different identification methods: as a matter of fact, identification can be performed once at the beginning of the test, on the basis of information provided by a preventive experiment on the system including chamber and component, or it can be performed several times through the test, using data obtained during the test itself. The latter method proves to be of great interest as it provides a model to the controller, which is updated continuously, «following» so any changes of model and non-linearity of the system. The numerical and experimental results presented in this study confirm the adequacy of a system of predictive control to meet the specific problems of thermal-vacuum chamber, and emphasize its usefulness in the solution of similar problems that may arise where the traditional feedback-based control logics were not able to ensure the desired performance.

Questa tesi nasce dall’esigenza di aumentare l’efficacia e l'efficienza delle leggi di controllo termico della camera termovuoto del Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano. La camera viene utilizzata allo scopo di effettuare prove di qualifica su componenti industriali, normalmente spaziali, verificandone i requisiti di funzionamento in particolari condizioni di vuoto spinto (cioè per valori di pressione intorno ai 10–6 mbar) e di temperatura (da –75 °C a 200 °C ). Generalmente tali prove vengono ritenute valide se la temperatura misurata in un punto del componente, detto Thermal Reference Point (TRP), riesce a essere mantenuta per un certo tempo attorno al valore di riferimento con uno scostamento massimo di ±0.5 °C . Il soddisfacimento di tale requisito dipende però dalle caratteristiche termiche del componente da provare. Conseguentemente, il sistema di controllo attuale non è sempre in grado di far fronte a tale richiesta. In particolare, per realizzare le condizioni di scambio termico desiderato, la camera termovuoto si serve di un impianto di generazione del calore regolato da controllori industriali di tipo Proporzionale-Integrale-Derivativo (PID) e di uno a ciclo frigorifero comandato con logica a relè. Tali controllori risultano del tutto inadeguati alla gestione della temperatura del componente in prova in quanto sono tarati sulla camera priva del carico al suo interno. La problematica fondamentale consiste nel fatto che, nella maggior parte dei casi, l’oggetto della prova è sprovvisto di un qualsiasi modello termico, rendendo quindi impossibile sviluppare un sistema di controllo basato su un modello analitico del sistema camera–oggetto. Al fine di risolvere le precedenti problematiche, il presente lavoro si pone l'obiettivo di sviluppare un regolatore basato su un algoritmo di controllo predittivo in grado di identificare il modello e di compiere, a ogni passo temporale, delle predizioni sul comportamento futuro del sistema in modo da calcolare un ingresso opportuno per il passo attuale. Si studia quindi l’applicazione dell’algoritmo del Generalized Predictive Control (GPC), appartenente alla famiglia dei Model Predictive Control (MPC). Mediante lo sviluppo di algoritmi implementati via software, la logica di controllo GPC viene dapprima applicata a sistemi semplici quali massa-molla-smorzatore, per poi essere estesa al controllo della camera. La peculiarità di un simile controllore consiste nella capacità di identificare il sistema che è chiamato a governare, senza richiedere alcuna conoscenza a priori del sistema. Si studiano e applicano diverse modalità di identificazione: l'identificazione può essere infatti eseguita una sola volta all'inizio della prova, sulla base di dati forniti da un esperimento preventivo sul sistema comprensivo di camera e componente, o più volte durante la prova, sui dati ottenuti durante la prova stessa. Quest’ultima si rivela di grande interesse in quanto fornisce al controllore un modello che viene aggiornato in modo continuo, «seguendo» così eventuali cambi di modello e nonlinearità del sistema. I risultati numerici e sperimentali presentati in questo lavoro confermano l’adeguatezza di un sistema di controllo predittivo per fare fronte alle problematiche specifiche della camera termovuoto, e ne evidenziano l'utilità nella soluzione di problemi analoghi che si dovessero presentare laddove le tradizionali logiche di controllo, basate su retroazione, non fossero in grado di garantire le prestazioni desiderate.