CN101806707B - 大型盐雾环境模拟试验系统温场控制方法 - Google Patents

大型盐雾环境模拟试验系统温场控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大空间盐雾模拟温场实现的方法。它通过合理地对试验空间的相对的长边侧壁或地面进行横、纵分割，并在每个分格内安装一个模块化的加热装置。每个加热装置具备独立的温控部件，可根据要求进行有差别的温度调定；整体温控则采用了基于模型预测和最有预报的控制步骤。该发明是大型盐雾模拟试验系统实现的重要方法，具备温场整体和局部调节能力，具有自适应、波动性小等优点。

Description

大型盐雾环境模拟试验系统温场控制方法
技术领域
本发明属于环境模拟技术领域。具体来说，涉及一种大空间盐雾模拟实现时温场控制的种方法。
背景技术
在盐雾暴露阶段，为确保盐雾的自然均匀沉降，试验空间不允许有空气流动，空气流速基本为零，致使温场控制无法采用常规的空调送风进行调节。目前，小型试验箱中，均采用对流传热的方式对空间进行升温，如夹套循环加热等。
该方式下，由于试验箱体空间较小，试验空间在各方向上的传热初始条件、边界条件基本相同，热流密度分布基本一致，而且小空间内自然对流作用下的受热空气流动充分，均有利于促进温场的均匀化，使温场控制的精度较易实现。
当试验空间的长度达到15米，高度达到7米时，传热特性在水平和垂直方向的差异就无法忽略。同时，自然对流作用下的气流也不能充分流动、混合，空间必然形成一个多温度场的动态平衡，导致试验空间温度在水平方向和垂直方向上存在较大差异。此外，大型武器装备进行试验时，对空间温场分布的影响也将是不可忽略的因素，而这种影响因与试件的大小、外形，以及试验时停放位置有关成为一个随机干扰。因此，大型空间的温场控制如仍采用整体调节，当局部温场指标超出允差时，无法通过局部调节消除超差。
发明内容
本发明提供一种温场分区组合控制的方法，解决大空间盐雾模拟系统的温场实现时，边界条件复杂、不均匀性强、随机干扰等问题，以有效的主动控制，使试验空间温度和温度梯度满足试验指标要求。
本发明通过下列技术方案实现：
一种大型盐雾试验空间的温场分区组合控制的方法，包括侧壁加热设置步 骤、地面加热设置步骤和加热控制步骤；
侧壁加热设置步骤，包括将大型盐雾试验空间的两相对侧壁进行分格处理，一个侧壁加热面尺寸为2m宽×1m高，盐雾试验空间的两侧壁加热面的列数为试验空间长度除2m取整，行数为有效空间高度除1m取整，每个分格内设置一个带有独立温度控制部件的侧壁加热装置，通过统一或有差别设定各装置的温度，具备对温场进行整体调节与分区调节的能力，可微调试验空间在横向和纵向上的温场分布，实现温度和温度梯度的主动控制；
地面加热设置步骤，包括将大型盐雾试验空间的地面进行分格处理，一个地面加热面的宽度为试验空间，长度为2.5m，盐雾试验空间的地面加热面的数为试验空间长度除2.5m取整，每个格子中设置一个带有独立温度控制部件的地面加热装置，通过统一或有差别设定各装置的温度，具备对温场进行整体调节与分区调节的能力，可微调试验空间在横向和纵向上的温场分布，实现温度和温度梯度的主动控制；
加热控制步骤，将温场控制过程采用了随机差分形式控制，并采用参数在线辨识、输出在线预估、侧壁与地面加热实时调节的方式，总体步骤如下：
步骤1：建立试验空间温场输入输出模型，该模型为双输入、单输出模型，其中，输入包括地面和侧壁加热单元的实时温度的平均值；输出为试验空间几何中心温度；
步骤2：通过多次试验，进行系统结构辨识，计算随机差分模型的阶次与时滞；
步骤3：启动温控，进行模型参数的在线辨识；
步骤4：进行系统时滞的最优预报，当温度逼近温场中心值时，控制侧壁单元与地面单元的进入各单元的自校控制；
步骤5：温度范围满足指标时，进行梯度条件判断，并启动实时回风温控和梯度调节功能；
步骤6：根据梯度判断结果，对一定的局部单元的自校正目标值进行有差别设定，直至温场梯度指标满足要求，在喷雾开始前，建立合格的温场；
步骤7：进入盐雾暴露阶段后，根据温场测量系统反馈，进行实时地温度、温度梯度的计算判断，并对加热单元，采用整体调节或局部调节。
其中，侧壁加热装置包括作为外部保温层的保温板(13)、作为中间内热源 层的加热席(10)及测量其加热温度的温度传感器(11)、作为内部防腐传热层的防腐传热板(12)以及外部框架(14)，电热席(10)、温度传感器(11)固定敷设在保温板(13)上，其上覆盖钢丝网，再覆盖厚度9mm-12mm的水泥层，水泥层通过外部框体(14)固定；其中，保温板(13)为聚苯乙烯泡沫塑料夹芯板或聚氯乙烯泡沫塑料夹芯板等泡沫塑料保温板，其厚度优选80mm-120mm。
其中，地面加热装置主要包括外部保温层(17)、作为中间内热源层的内置加热电缆(15)及温度传感器(16)和作为外部传热层的混凝土防腐传热层(18)，其中，保温层为建筑常规保温层，内热源为嵌入凹槽中的加热电缆，传热层为厚密实混凝土。
本发明是大型盐雾模拟试验系统实现的重要方法，具备温场整体和局部调节能力，具有自适应、波动性小等优点。
附图说明
图1是本发明的大型盐雾试验空间的侧面分格的示意图。
图2是本发明的大型盐雾试验空间的地面分格的示意图。
图3是用于本发明的大型盐雾试验空间的侧壁加热装置的结构示意图。
图中：10、加热席；11、温度传感器；12、防腐传热板；13、保温板；14、框架；
图4是用于本发明的大型盐雾试验空间的地面加热装置的结构示意图。
图中：15、加热电缆；16、温度传感器；17、保温层；18、防腐传热层；19、密封缝。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明的大型盐雾试验空间的六面同时传热是较为理想的方式。但考虑大型试件的出入、试验顶层结构等因素，传热面选择长度方向的两侧壁和地面，共三个面。首先，按照多热源、组合加热的原则，针对大型盐雾试验空间的两相对侧面进行分格处理。侧壁加热面的分割方法为，按照侧壁加热面的基本单元格为2m(宽)×1m(高)，侧壁加热面总长＝试验空间长度，总高取整以便 于分成整数个格子。由附图1可知，以试验中心线为分格起点，考虑每个基本单元格(1)框架的宽度，向两侧进行依次分格。侧壁长度优选为偶数倍的米数以便于分成整数倍的格子，如果不能为整，则与临近分格合并为一个单元格。高度上，以试验空间±0.000平面为起点，考虑每个基本单元格(1)框架的高度，由下至上进行总高数的分格。每个分格内安装一个侧壁加热装置。通过统一或有差别设定各装置的温度，具备对温场进行整体调节与分区调节的能力，可微调试验空间在横向和纵向上的温场分布，实现温度和温度梯度的主动控制。该侧壁加热装置包括作为外部保温层的保温板(13)、作为中间内热源层的加热席(10)及测量其加热温度的温度传感器(11)、作为内部防腐传热层的防腐传热板(12)以及外部框架(14)，电热席(10)、温度传感器(11)固定敷设在保温板(13)上，其上覆盖钢丝网，再覆盖厚度9mm-12mm的水泥层，水泥层通过外部框体(14)固定；其中，保温板(13)为聚苯乙烯泡沫塑料夹芯板或聚氯乙烯泡沫塑料夹芯板等泡沫塑料保温板，其厚度优选80mm-120mm。
其次，按照多热源、组合加热的原则，针对大型盐雾试验空间的地面进行分格处理，地面加热面的宽度为试验空间，长度为2.5m。由附图2可知，以试验中心线为分格起点，考虑每个基本单元地面一定分舱间隔(50mm)，向两侧依次进行分格。优选试验空间的长度为2.5m的整数倍以便于分成整数倍的格子。如果边缘分格不能取整，则与临近分隔合并为一个单元格。每个分格内安装一个地面加热装置。通过统一或有差别设定各装置的温度，具备对温场进行整体调节与分区调节的能力，可微调试验空间在横向和纵向上的温场分布，实现温度和温度梯度的主动控制。该地面加热装置主要包括外部保温层(17)、作为中间内热源层的内置加热电缆(15)及温度传感器(16)和作为外部传热层的混凝土防腐传热层(18)，其中，保温层为建筑常规保温层，内热源为嵌入凹槽中的加热电缆(15)，传热层(18)为厚密实混凝土。
由于试验空间在盐雾暴露阶段，空气流速基本为零，两单元的加热方式采用传导、对流方式。通过对盐雾试验室壁面、地面进行加热，从而使热量传递至试验空间。但是，在大型盐雾环境模拟的温控实现时，由于存在较多的不确定因素和随机干扰，温度变化规律在每次试验时均有差异，试验加热单元的控制律也不同。此外，常规的PID控制存在较大的局限性，不仅参数整定困难， 而且容易导致控制发散。因此，本发明的加热方法采用了“先温度、后梯度”的控制方法，研究采用了自适应调节技术，将温场控制过程采用随机差分形式描述，并采用参数在线辨识、输出在线预估、侧壁与地面加热实时调节的方式，总体步骤如下：
步骤1：建立试验空间温场输入输出模型，该模型为双输入、单输出模型，其中，输入包括地面和侧壁加热单元的实时温度的平均值；输出为试验空间几何中心温度；
步骤2：通过多次试验，进行系统结构辨识，计算随机差分模型的阶次与时滞；
步骤3：启动温控，进行模型参数的在线辨识；
步骤4：进行系统时滞的最优预报，当温度逼近温场中心值时，控制侧壁单元与地面单元的进入各单元的自校控制；
步骤5：温度范围满足指标时，进行梯度条件判断，并启动实时回风温控和梯度调节功能；
步骤6：根据梯度判断结果，对一定的局部单元的自校正目标值进行有差别设定，直至温场梯度指标满足要求，在喷雾开始前，建立合格的温场；
步骤7：进入盐雾暴露阶段后，根据温场测量系统反馈，进行实时地温度、温度梯度的计算判断，并对加热单元，采用整体调节或局部调节。
目前，本发明已成功应用于我所研制的600立方米大型盐雾环境模拟试验系统，并满足了GJB150.86和MIL-STD-819F标准规定的温场指标。系统温场鉴定结果如下：
表1温度测量结果
  标称温度   最大测量值   最小测量值   最大正偏差   最大负偏差   设计允许偏差
  35℃   34.3℃   33.2℃   -0.7℃   1.8℃   ±3℃
表2温度梯度指标
  最大值   最小值   设计允许偏差
  温度垂直梯度   0.63℃/m   0.19℃/m   ≤1℃/m
  温度水平梯度   0.34℃/m   0.17℃/m   ≤1℃/m
由上可知，本发明应用很好地解决了大空间盐雾环境模拟试验系统的温场控制要求。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种大型盐雾试验空间的温场分区组合控制的方法，包括侧壁加热设置步骤、地面加热设置步骤和加热控制步骤；
1)侧壁加热设置步骤，包括将大型盐雾试验空间的两相对侧壁进行分格处理，侧壁加热面的基本单元格为2m宽×1m高，盐雾试验空间的两侧壁长度和高度分别是偶数和自然数便于分成整数倍的格子，每个分格内设置一个带有独立温度控制部件的侧壁加热装置，通过统一或有差别设定各装置的温度，具备对温场进行整体调节与分区调节的能力，可微调试验空间在横向和纵向上的温场分布，实现温度和温度梯度的主动控制；
2)地面加热设置步骤，包括将大型盐雾试验空间的地面进行分格处理，地面加热面的基本单元格的宽度等于试验空间宽度为2.5m，长度为2.5m，盐雾试验空间的地面宽度为2.5m的整数倍，每个格子中设置一个带有独立温度控制部件的地面加热装置，通过统一或有差别设定各装置的温度，具备对温场进行整体调节与分区调节的能力，可微调试验空间在横向和纵向上的温场分布，实现温度和温度梯度的主动控制；
3)加热控制步骤，将温场控制过程采用了随机差分形式控制，并采用参数在线辨识、输出在线预估、侧壁与地面加热实时调节的方式，总体步骤如下：
步骤1：建立试验空间温场输入输出模型，该模型为双输入、单输出模型，其中，输入包括地面和侧壁加热单元的实时温度的平均值；输出为试验空间几何中心温度；
步骤2：通过多次试验，进行系统结构辨识，计算随机差分模型的阶次与时滞；
步骤3：启动温控，进行模型参数的在线辨识；
步骤4：进行系统时滞的最优预报，当温度逼近温场中心值时，控制侧壁单元与地面单元的进入各单元的自校控制；
步骤5：温度范围满足指标时，进行梯度条件判断，并启动实时回风温控和梯度调节功能；
步骤6：根据梯度判断结果，对一定的局部单元的自校正目标值进行有差别设定，直至温场梯度指标满足要求，在喷雾开始前，建立合格的温场；
步骤7：进入盐雾暴露阶段后，根据温场测量系统反馈，进行实时地温度、温度梯度的计算判断，并对加热单元，采用整体调节或局部调节。
2.如权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述侧壁加热装置包括作为外部保温层的保温板(13)、作为中间内热源层的加热席(10)及测量其加热温度的温度传感器(11)、作为内部防腐传热层的防腐传热板(12)以及外部框架(14)，电热席(10)、温度传感器(11)固定敷设在保温板(13)上，其上覆盖钢丝网，再覆盖厚度9mm-12mm的水泥层，水泥层通过外部框体(14)固定；其中，保温板(13)为聚苯乙烯泡沫塑料夹芯板或聚氯乙烯泡沫塑料夹芯板的泡沫塑料保温板，其厚度为80mm-120mm。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述地面加热装置主要包括外部保温层(17)、作为中间内热源层的内置加热电缆(15)及温度传感器(16)和作为外部传热层的混凝土防腐传热层(18)，其中，保温层为建筑保温层，内热源为嵌入容纳凹槽中的加热电缆(15)，并向保温层中设置U型沟槽保护和固定加热电缆，防腐传热层(18)为厚密实混凝土。
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