CN104502055A - 基于智能温控调节系统的大气湍流模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于智能温控调节系统的气体大气湍流模拟装置，利用冷热气体对流产生湍流，真实地模拟出大气湍流一些特性，以达到定量地描述大气湍流中的部分参数；采用内嵌是湍流发生仓，多区域温度控制系统，抑制了弱湍流、不稳定湍流、未完全发展的湍流和边界湍流的出现；加入小型的制冷循环系统，使其在温差不变的情况下，减小加热板功率，利于缩短大幅度调整温度时的反应时间；独特的风散热系统，缩短大幅度调整温度时的反应时间。本发明装置控制调节大气相干长度为1~40cm，湍流外尺度可达20cm，湍流内尺度可达8cm，湍流强度的稳定性可达15%，温度调节范围在10—200℃，温度调节精度为 ，平均两组实验温度的自整定时间为5分钟。克服了传统PID控制受其控制参数整定的限制，对于具有非线性、大滞后的温度控制对象具有满意的控制效果。
Description
技术领域：
本发明是一种基于智能温控调节系统的大气湍流模拟装置，涉及大气物理和大气激光传输研究领域。
背景技术：
大气由于温度场对流和传导的复杂作用使大气流动成为“湍流”，大气湍流会造成大气密度或温度的涨落，由此引起光波折射率涨落，从而导致光波的相位和振幅的随机变化。不同效应对不同光学系统的影响不同，有的甚至限制光学系统的性能。
利用大气对激光影响的规律，激光成为探测大气状态的有效工具，同时激光通信也受大气制约。激光在湍流大气中传输的理论与大气湍流是密切相关的，由于对大气湍流基本机理的研究仍在不断发展中，再加上随机激光场的数学处理和相干性变化规律的复杂性，致使激光在大气中传输的许多问题仍不清楚，理论与实验测量相差甚远，新的效应不断发现。因此研究大气湍流既有理论意义也有重要的应用价值。
室内半实物模拟装置是大气湍流研究的重要手段之一，具有稳定性好，重复性好，易控制等优点。为了能反映实际大气湍流的规律，室内半实物模拟装置应满足流动力学条件、热力相似条件、动力相似条件、大气层结相似条件等。安徽光机所研制了湍流模拟池，湍流模拟池的体积为1.0×0.5×0.5m,介质为去离子水,底部通过油进行二次加热,上表面由循环水冷却。自动控制系统控制两面温差,湍流发展稳定后的温差起伏范围约±1℃。湍流池横断面中心部分均匀区域为0.2×0.2m2。
国内外现有的湍流模拟池所用的工作物质通常为水，模拟闪烁频率较低20-30Hz，并由于温度控制系统的误差较大1度，实时性不佳，温度稳定时间需大约10分钟，本发明针对上述问题改进了湍流发生池的结构，提出了基于智能温控调节系统的大气湍流模拟装置。
传统PID控制受其控制参数整定的限制，对于具有非线性、大滞后的温度控制对象难以达到满意的控制效果。
发明内容：
本发明提出了一种基于智能温控调节系统的大气湍流模拟装置，解决了传统PID控制受其控制参数整定的限制，对于具有非线性、大滞后的温度控制对象难以达到满意的控制效果，更加真实地模拟大气湍流，提高闪烁频率、提高温度控制的精度，降低温度自整定时间。
本发明提供的一种基于智能温控调节系统的大气湍流模拟装置，其特征在于：
由外部总控系统、池体、制冷循环系统、均匀加热系统、散热系统、温度采集系统、模糊PID温度控制系统组成；其中，池体由湍流发生仓、温度补偿附室、窗口透镜，底部支架构成，池体中湍流发生仓位于温度补偿附室内，窗口透镜分别放在湍流发生仓、温度补偿附室的两端中心位置，底部支架放在温度补偿附室下面；制冷循环系统由双循环式制冷管、制冷液流入口、制冷液流出口、空气压缩制冷装置构成，双循环式制冷管位于湍流发生仓的顶部，双循环式制冷管连接制冷液流入口和制冷液流出口，空气压缩制冷装置接制冷液流入口和制冷液流出口，空气压缩制冷装置工作产生的冷空气经制冷液流入口进入双循环式制冷管，经双循环式制冷管后由制冷液流出口流入空气压缩制冷装置，形成制冷效果；均匀加热系统由主加热板、附加热板和平衡温度加热板构成，附加热板、主加热板、平衡温度加热板并排相连接，位于湍流发生仓的底部；散热系统由加热板散热风扇、温度补偿附室散热风扇构成，加热板散热风扇位于均匀加热系统的下面，温度补偿附室散热风扇位于温度补偿附室外壁上；温度采集系统由湍流发生主仓室温、温度平衡附仓室温、冷端温度、主加热板温度、附加热板温度构成，分别位于在池体的湍流发生主仓室、温度平衡附仓室不同位置，池体顶部，池体底部主加热板和附加热板中；模糊PID温度控制系统位于外部总控系统内。
本发明模拟装置的基本工作流程为：
在外部总控系统输入模拟的湍流强度，设定大气湍流相干长度的值。模糊PID温度控制系统自动算出主加热板、附加热板和平衡温度加热板的温度值，输出调制控制信号，加热板开始工作。同时，空气压缩制冷装置工作制冷，制冷液由制制冷液流入口流入双循环式制冷管，再由制冷液流出口回到制冷压缩机中，循环制冷并实时受外部总控系统控制自适应地调整温度值。同时，温度采集系统实时采集温度并提供反馈数据给模糊PID温度控制系统，经调制再次输出控制信号，构成温度反馈闭环控制循环，获得稳定的大气湍流。
大气湍流的相干长度稳定后，实验人员可以在湍流池两端进行光学实验，激光由池体一端的窗口透镜穿过池体从另一端的窗口透镜射出，到达湍流池外的光学接收装置。一组实验结束后，加热板散热风扇和温度补偿附室散热风扇开始工作降温处理。
本发明的积极效果在于：利用冷热气体对流产生湍流，真实地模拟出大气湍流一些特性，以达到定量地描述大气湍流中的部分参数；采用内嵌是湍流发生仓，多区域温度控制系统，抑制了弱湍流、不稳定湍流、未完全发展的湍流和边界湍流的出现；加入小型的制冷循环系统，使其在温差不变的情况下，减小加热板功率，利于缩短大幅度调整温度时的反应时间；独特的风散热系统，缩短大幅度调整温度时的反应时间。本发明装置控制调节大气相干长度为1~40cm，湍流外尺度可达20cm，湍流内尺度可达8cm，湍流强度的稳定性可达15%，温度调节范围在10—200℃，温度调节精度为 ，平均两组实验温度的自整定时间为5分钟。克服了传统PID控制受其控制参数整定的限制，对于具有非线性、大滞后的温度控制对象具有满意的控制效果。
附图说明：
图1为本发明总体结构示意图；
图2为本发明装置结构示意图；
图3为本发明装置俯视示意图；
图4为本发明PID控制和模糊控制相结合的温控算法控制框图；
图中：1、外部总控系统；2 、池体；3、制冷循环系统；4、均匀加热系统；5、散热系统；6、温度采集系统；7、模糊PID温度控制系统；8、湍流发生仓；9、温度补偿附室；10、窗口透镜；11、底部支架；12、双循环式制冷管；13、制冷液流入口；14、制冷液流出口；15、空气压缩制冷装置；16、主加热板；17、附加热板；18、平衡温度加热板；19、加热板散热风扇；20、温度补偿附室散热风扇；21、湍流发生主仓室温；22、温度平衡附仓室温；23、冷端温度；24、加热板温度；25、附加热板温度。
具体实施方式：
通过以下实施例进一步举例描述本发明，并不以任何方式限制本发明，在不背离本发明的技术解决方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围之内。
实施例1
根据图1~图3所示，本发明装置由外部总控系统1、池体2、制冷循环系统3、均匀加热系统4、散热系统5、温度采集系统6、模糊PID温度控制系统7组成；其中，池体2由湍流发生仓8、温度补偿附室9、窗口透镜10，底部支架11构成，池体2中湍流发生仓8位于温度补偿附室9内，窗口透镜10分别放在湍流发生仓8、温度补偿附室9的两端中心位置，底部支架11放在温度补偿附室9下面；湍流池体2长2.7m，宽1.6m，高0.5m。为铝型材构造，在池内嵌入湍流发生仓8，长2m，宽1m，高0.4m。在湍流池体2和池内嵌入湍流发生仓8的两端中心轴各有一个的窗口透镜10的通光口径。供自适应光学补偿实验和其他光学实验使用。
制冷循环系统3由双循环式制冷管12、制冷液流入口13、制冷液流出口14、空气压缩制冷装置15构成，双循环式制冷管12位于湍流发生仓8的顶部，双循环式制冷管12连接制冷液流入口13和制冷液流出口14，空气压缩制冷装置15连接制冷液流入口13和制冷液流出口14，空气压缩制冷装置15工作产生的冷空气经制冷液流入口13进入双循环式制冷管12，经双循环式制冷管12后由制冷液流出口14流入空气压缩制冷装置15，形成制冷效果；所述的基于智能温控调节系统的大气湍流模拟装置，其特征在于，湍流池外部连接的空气压缩制冷装置15提供精确稳定的制冷温度，独特的双循环式制冷管紧贴湍流发生仓顶部，制冷循环系统3精确控制温度范围在 -25— 10，误差在0.1— 0.7。
均匀加热系统4由主加热板16、附加热板17和平衡温度加热板18构成，附加热板17、主加热板16、平衡温度加热板18并排相连接，位于湍流发生仓8的底部；所述的基于智能温控调节系统的大气湍流模拟装置，其特征在于，湍流发生仓的外部是用于温度补偿的温度补偿附室9，附室底部铺有云母加热板。抑制了极弱湍流、不稳定湍流、未完全发展的湍流和边界湍流的出现。
散热系统5由加热板散热风扇19、温度补偿附室散热风扇20构成，加热板散热风扇19位于均匀加热系统4的下面，温度补偿附室散热风扇20位于温度补偿附室9外壁上；所述的基于智能温控调节系统的大气湍流模拟装置，其特征在于, 在池体的侧面和底部有辅助温度控制的散热系统5，用于对温度补偿附室9和均匀加热系统4的温度进行降温处理，缩短两组实验的温度自整定的时间。
温度采集系统6由湍流发生主仓室温21、温度平衡附仓室温22、冷端温度23、主加热板温度24、附加热板温度25构成，分别位于在池体的湍流发生主仓室、温度平衡附仓室不同位置，池体顶部，池体底部主加热板和附加热板中；所述的基于智能温控调节系统的大气湍流模拟装置，其特征在于，温度采集系统6采用铂电阻温度传感器，在温度反馈闭环控制中为模糊PID温度控制系统7提供数据。铂电阻具有测量范围宽、 稳定性好、 示值复现性高和耐氧化等优点 ,常被用来作为 - 100～630 ℃范围的国际标准温度计,由铂电阻的阻值和温度之间存在非线性关系(尤其在高温段更为明显 ) ,在检测数据进行非线性校正是高精度测温不可缺少的环节。
模糊PID温度控制系统7位于外部总控系统1内。图4所示为本发明模糊PID温度控制系统 7 的模糊自适应PID温度控制框图。温度采集系统6获得各个部分的温度输入到模糊PID温度控制系统 7，模糊PID温度控制系统 7开始模糊推理，计算出所需加热的功率，产生控制信号使PID调节器调整加热参数进行再加热，直至温度达到所需。所述的基于智能温控调节系统的大气湍流模拟装置，其特征在于，利用模糊PID温度控制系统7控制均匀加热系统4不同区域的温度，发生仓四周由厚度为150mm的石棉板包围保温。抑制极弱湍流、不稳定湍流、未完全发展的湍流和边界湍流的出现。温度控制范围 10—600。
工作过程如下：如图1所示，在外部总控系统 1 输入模拟的湍流强度，设定大气湍流相干长度的值，系统会自动算出主加热板 16 、附加热板 17 和平衡温度加热板 18 的温度值。并经模糊PID温度控制系统7 调制输出控制信号，盛世公司-SS-YLYW-800H-35空气压缩制冷装置 15 开始工作制冷，图2中制冷液由制制冷液流入口 13 流入双循环式制冷管 12 ，再由制冷液流出口 14 回到制空气压缩制冷装置15中，由此循环制冷并实时受温控模块控制自适应地调整温度值。均匀加热系统4在接收到外部总控系统 1 的控制信号后，控制图3中主加热板 16 、附加热板 17 和平衡温度加热板 18 的施耐-Rxm4lb2p7继电器通断电的时间控制加热板的温度。同时，阿尔泰公司-DAM-3043温度采集系统 6 实时采集温度并提供反馈数据给模糊PID温度控制系统7，经模糊PID温度控制系统7计算控制信号并再次输出，以此循环形成温度反馈闭环控制，获得稳定的大气湍流。
当上位机所测量计算得的湍流相干长度稳定后，实验人员可以在湍流池两端进行实验，激光由池体2一端的窗口透镜10穿过湍流发生仓8，由另一端射出到光学接收装置。如更改参数重新设定湍流的相干长度值，温控模块需进行自整定后向湍流池发控制信号，增大或降低加热板、制冷装置的输出功率。同时为了配合温度的快速调整，本发明增加了如图1和图2中的散热系统 5 ，在湍流池外壁上的温度补偿附室散热风扇 20 是为了降低温度补偿附室 9 中的温度，当附室的温度降低到调整值的范围内，散热风扇自动停止工作，并关闭风扇百叶，使附室内温度维持恒定。湍流池底部的加热板散热风扇 19 与上述原理相同，接到控制信号后，开启风扇降低湍流发生仓 8 底部的加热板，温度降低到预定值后，散热风扇关闭。
图4所示为本发明模糊PID温度控制系统 7 的模糊自适应PID温度控制框图。传统PID控制受其控制参数整定的限制，对于具有非线性、大滞后的温度控制对象难以达到满意的控制效果。为克服此缺点,本系统在大误差的情况下，利用模糊控制对大误差的调节效果好的特性，采用PID控制和模糊控制相结合的温控算法。而在小误差情况下，为了提高控制精度,重新采用传统PID控制。采用模糊自适应PID控制策略明显优于单纯采用PID控制。实际应用中，目标温度设为180℃时,系统稳定后温度误差小于0.3℃，相对误差为0.16%，可见采用模糊自适应PID控制在本系统中具有良好的控制效果。
Claims (1)
1.一种基于智能温控调节系统的气体大气湍流模拟装置，其特征在于是由外部总控系统、池体、制冷循环系统、均匀加热系统、散热系统、温度采集系统、模糊PID温度控制系统组成；其中，池体由湍流发生仓、温度补偿附室、窗口透镜，底部支架构成，池体中湍流发生仓位于温度补偿附室内，窗口透镜分别放在湍流发生仓、温度补偿附室的两端中心位置，底部支架放在温度补偿附室下面；制冷循环系统由双循环式制冷管、制冷液流入口、制冷液流出口、空气压缩制冷装置构成，双循环式制冷管位于湍流发生仓的顶部，双循环式制冷管连接制冷液流入口和制冷液流出口，空气压缩制冷装置接制冷液流入口和制冷液流出口，空气压缩制冷装置工作产生的冷空气经制冷液流入口进入双循环式制冷管，经双循环式制冷管后由制冷液流出口流入空气压缩制冷装置，形成制冷效果；均匀加热系统由主加热板、附加热板和平衡温度加热板构成，附加热板、主加热板、平衡温度加热板并排相连接，位于湍流发生仓的底部；散热系统由加热板散热风扇、温度补偿附室散热风扇构成，加热板散热风扇位于均匀加热系统的下面，温度补偿附室散热风扇位于温度补偿附室外壁上；温度采集系统由湍流发生主仓室温、温度平衡附仓室温、冷端温度、主加热板温度、附加热板温度构成，分别位于在池体的湍流发生主仓室、温度平衡附仓室不同位置，池体顶部，池体底部主加热板和附加热板中；模糊PID温度控制系统位于外部总控系统内。
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