CN107861548A - 一种用于低氧环境试验的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于低氧环境试验的控制系统，包括操作计算机、控制器、控制回路、传感器，其采用分布式I/O架构控制器，满足试验环境压力、氧浓度、温度的闭环控制，并针对多环境参数控制的要求，利用多路独立闭环控制方法，实现了压力、低氧、温度综合环境参数的控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于低氧环境试验的控制系统，属于环境试验系统控制领域。
背景技术
飞行器在飞行过程中会面临低氧、高温、振动等所产生的气动噪声，复杂的周围环境会引起飞行器结构特性的变化，最终可能导致飞行器结构破坏或控制失稳，从而引起飞行器的飞行失利。随着我国航空航天行业的飞速发展，综合环境试验已越来越广泛的应用于飞机、火箭、卫星以及其它高性能飞行器环境试验中。这其中就包括对低氧环境试验的控制提出了更高的要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有技术中提出的上述需求，本发明涉及一种用于低氧环境试验的控制系统，其采用分布式I/O架构控制器，满足试验环境压力、氧浓度、温度的闭环控制，并针对多环境参数控制的要求，利用多路独立闭环控制方法，实现了压力、低氧、温度综合环境参数的控制。
(二)技术方案
一种用于低氧环境试验的控制系统，包括操作计算机、控制器、控制回路、传感器；所述控制器包括控制器主站、控制器从站、从站扩展模块；所述控制回路包括供气压力控制回路、水浴汽化器控制回路、加热模块冷却控制回路、压力控制回路、温度控制回路、氧浓度控制回路；所述传感器包括环境氧浓度传感器、环境温度传感器、环境压力传感器；操作计算机与控制器主站之间通过以太网通讯，控制器主站与控制器从站之间通过以太网通讯，控制器从站与从站扩展模块之间通过接口模块通讯；操作计算机对控制器主站发送试验参数并接收控制器主站发送的试验数据，并将试验数据保存至操作计算机的硬盘内；控制器主站直接控制供气压力控制回路和水浴汽化器控制回路，控制器从站直接控制加热模块冷却控制回路、压力控制回路、温度控制回路、氧浓度控制回路，并接收压力传感器和一部分温度传感器的反馈；从站扩展模块接收氧浓度传感器和另一部分温度传感器的反馈。
其中，供气压力控制回路包括系统增压闭环控制和供气管路压力闭环控制两部分；通过向低温液氮储槽内通入氮气实现系统增压，低温液氮储槽配有低温液氮储槽压力传感器，实时监测低温液氮储槽内的压力，并将压力信号发送至控制器主站，通过闭环控制算法计算控制量，并将控制信号发送至氮气流量调节装置，调节通入低温液氮储槽内的氮气量，实现系统增压闭环控制；氮气通入的管路上安装的氮气管路压力传感器用于监测管路内的氮气压力，控制器主站根据氮气管路压力传感器反馈的压力值，实时调节管路节流装置，达到供气管路压力闭环控制。
其中，水浴汽化器温度控制回路用于调节水浴汽化器内换热介质温度，水浴汽化器内安装的水浴汽化器温度传感器用于监测水浴汽化器内换热介质温度，并反馈至控制器主站，经过闭环控制算法计算后，控制器主站发送控制信号至水浴汽化器功率调节器，控制加热功率，当水浴汽化器内换热介质温度达到目标温度后，停止加热。
其中，加热模块冷却控制回路用于控制电动调节阀调节通入加热模块的氮气量，利用氮气热交换，将试验过程中的加热模块进行冷却；每路氮气配有冷却用氮气压力传感器，冷却用氮气压力传感器将管路内的压力以模拟信号的形式反馈至控制器从站，经控制器从站转换为数字信号后，通过以太网发送至控制器主站进行闭环控制运算，计算得出的控制量再经以太网发送至控制器从站，控制器从站发送控制信号至电动调节阀以调节阀门开度，实现管路稳定压力的功能。
其中，压力控制回路实现试验环境压力闭环控制，试验环境四周布置多个环境压力传感器，环境压力传感器实时监测试验环境压力，并反馈至控制器从站，闭环控制算法选择以压力最大值或压力均值作为闭环控制反馈；控制器从站发送控制信号至环境压力电动调节阀，调节通入试验环境内的氮气，实现试验环境压力稳定的功能。
其中，温度控制回路实现试验环境温度闭环控制，试验加热过程中，环境温度随之升高，对试验环境内的仪器仪表的正常工作产生影响，所以需保证试验环境温度保持在合理范围内；采用低温液氮作为冷却介质，试验环境四周布置多只环境温度传感器，环境温度传感器监测试验环境温度，并反馈至控制器从站和从站扩展模块，以多个温度值的最大值作为闭环控制反馈，调节低温液氮流量调节阀的开度，控制通入试验环境低温液氮量，实现为试验环境降温的功能。
其中，氧浓度控制回路实现试验环境氧浓度的闭环控制，根据试验条件，氧浓度控制回路实时调节试验环境氧浓度含量；试验环境四周布置多个环境氧浓度传感器，且每个排风管路内布置一个环境氧浓度传感器；空气通入管路上安装有电动调节阀，控制通入空气量，通过空气与氮气的混合，调整试验环境氧浓度含量；排气管路安装有排气风机，氧浓度控制回路控制排气风机的排气量，实现调节试验环境氧浓度升降速率的功能。
一种用于低氧环境试验的控制系统的控制方法，包括：水浴汽化器加热控制、系统增压控制、气体置换控制、加热模块冷却控制、舱内压力控制、舱内氧浓度控制、舱内温度控制；所述控制方法用于飞行器舱环境。
其中，所述水浴汽化器加热控制包括：总闭锁继电器上电，电气回路接通，启动水浴汽化器中间继电器，为电加热管通电，开始加热，远程监测水浴汽化器本体上温度传感器，直至温度传感器显示达到加热温度后，停止水浴汽化器加热。
其中，所述系统增压控制包括：首先，控制器发送控制指令至低温液氮储槽气枕增压入口处的低温电动调节阀，控制系统进入压力闭环控制，同时发送控制指令至水浴汽化器低温液氮入口处的低温电动调节阀，控制进入水浴汽化器的低温液氮量，从而实现主管路压力闭环控制。
其中，所述气体置换控制包括：控制打开舱体顶部电动蝶阀，同时发送控制指令至置换电动调节阀，由舱内的环境压力传感器实时监测舱内压力值，闭环控制舱内压力；舱内配置了环境氧浓度传感器实时监测舱内的氧浓度；当达到要求的氧浓度时，置换步骤完成。
其中，所述加热模块冷却控制包括：加热模块在加热过程中，需要用常温气体对其进行冷却，但加热模块有耐压要求，通入的气体压力不能过高，所以每个支气路需要通过电动调节阀进行压力闭环控制；控制器根据各路压力设定值，独立闭环控制各气体支路的压力，且支路上安装有压力传感器，作为闭环控制反馈。
其中，所述舱内压力控制包括：试验过程中，要保证舱内为正压，可防止舱外的空气透入舱内；舱内三面墙壁上各布置了一只环境压力传感器，三只环境压力传感器采集舱内压力，并作为压力反馈信号接入控制器。控制器根据试验设定目标压力值，按照闭环控制算法，计算出压力闭环控制量；控制器将控制量转换成控制信号发送至压力调节阀，调节供气量，从而达到调节舱内压力的目的。
其中，所述舱内氧浓度控制包括：氮气环境试验舱通过将氮气通入舱内，将舱内空气置换的方法，实现调整氧浓度的功能；控制系统通过调节压缩空气电动调节阀和舱内气体排气调节阀来调整舱内氧浓度；在保证舱内压力恒定的状态下，控制系统发送控制信号至排气调节阀和排气风机，控制排气量的大小；同时，控制系统的舱内压力闭环控制调整氮气的进气量，使舱内压力保持恒定。当需要提高舱内氧浓度时，该控制系统发送一路控制信号至空气进气调节阀，调整空气的进气量，使舱内氧浓度升高。
其中，所述舱内温度控制包括：舱内温度随试验过程会随之升高，需为舱内环境降温；控制系统通过调节试验舱内的低温电动调节阀，控制通入舱内的低温液氮量；通入的低温液氮在舱内汽化后，利用汽化潜热将舱内温度降低，达到舱内温度控制的功能。
(三)有益效果
(1)本发明采用多参数控制方法，实现了压力、温度、氧浓度三种环境参数的控制。
(2)本发明中控制系统采用分布式主从站架构，合理布局，减少了控制系统信号电缆至控制器的距离，同时，也提高了信号的信噪比。
(3)为保证试验环境温度、氧浓度均匀，舱内布置多套被控对象，控制系统采用多通道闭环控制，完成对被控对象的调节。
附图说明
图1本发明的一种用于低氧环境试验的控制系统示意框图。
其中，1为操作计算机，2为控制器主站，3为供气压力控制回路，4为水浴汽化器控制回路，5为加热模块冷却控制回路，6、压力控制回路，7温度控制回路，8氧浓度控制回路，9从站扩展模块，10为环境氧浓度传感器，11为环境温度传感器，12为环境压力传感器，13为控制器从站。
具体实施方式
本发明的一种用于低氧环境试验的控制系统，包括操作计算机1、控制器、控制回路、传感器；所述控制器包括控制器主站2、控制器从站13、从站扩展模块9；所述控制回路包括供气压力控制回路3、水浴汽化器控制回路4、加热模块冷却控制回路5、压力控制回路6、温度控制回路7、氧浓度控制回路8；所述传感器包括环境氧浓度传感器10、环境温度传感器11、环境压力传感器12；操作计算机1与控制器主站2之间通过以太网通讯，控制器主站2与控制器从站13之间通过以太网通讯，控制器从站13与从站扩展模块9之间通过接口模块通讯；操作计算机1对控制器主站2发送试验参数并接收控制器主站2发送的试验数据，并将试验数据保存至操作计算机1的硬盘内；控制器主站2直接控制供气压力控制回路3和水浴汽化器控制回路4，控制器从站13直接控制加热模块冷却控制回路5、压力控制回路6、温度控制回路7、氧浓度控制回路8，并接收压力传感器12和一部分温度传感器11的反馈；从站扩展模块接收氧浓度传感器10和另一部分温度传感器11的反馈。
供气压力控制回路3包括系统增压闭环控制和供气管路压力闭环控制两部分。通过向低温液氮储槽内通入氮气实现系统增压，低温液氮储槽配有低温液氮储槽压力传感器，实时监测低温液氮储槽内的压力，并将压力信号发送至控制器主站2，通过闭环控制算法计算控制量，并将控制信号发送至氮气流量调节装置，调节通入低温液氮储槽内的氮气量，实现系统增压闭环控制；氮气通入的管路上安装的氮气管路压力传感器用于监测管路内的氮气压力，控制器主站2根据氮气管路压力传感器反馈的压力值，实时调节管路节流装置，达到供气管路压力闭环控制。
水浴汽化器温度控制回路4用于调节水浴汽化器内换热介质温度，水浴汽化器内安装的水浴汽化器温度传感器用于监测水浴汽化器内换热介质温度，并反馈至控制器主站2，经过闭环控制算法计算后，控制器主站2发送控制信号至水浴汽化器功率调节器，控制加热功率，当水浴汽化器内换热介质温度达到目标温度后，停止加热。
加热模块冷却控制回路5用于控制电动调节阀调节通入加热模块的氮气量，利用氮气热交换，将试验过程中的加热模块进行冷却。每路氮气配有冷却用氮气压力传感器，冷却用氮气压力传感器将管路内的压力以模拟信号的形式反馈至控制器从站13，经控制器从站13转换为数字信号后，通过以太网发送至控制器主站2进行闭环控制运算，计算得出的控制量再经以太网发送至控制器从站13，控制器从站13发送控制信号至电动调节阀以调节阀门开度，实现管路稳定压力的功能。
压力控制回路6实现试验环境压力闭环控制，试验环境四周布置多个环境压力传感器12，环境压力传感器12实时监测试验环境压力，并反馈至控制器从站13，闭环控制算法选择以压力最大值或压力均值作为闭环控制反馈。控制器从站13发送控制信号至环境压力电动调节阀，调节通入试验环境内的氮气，实现试验环境压力稳定的功能。
温度控制回路7实现试验环境温度闭环控制，试验加热过程中，环境温度随之升高，对试验环境内的仪器仪表的正常工作产生影响，所以需保证试验环境温度保持在合理范围内。采用低温液氮作为冷却介质，试验环境四周布置多只环境温度传感器11，环境温度传感器11监测试验环境温度，并反馈至控制器从站13和从站扩展模块9，以多个温度值的最大值作为闭环控制反馈，调节低温液氮流量调节阀的开度，控制通入试验环境低温液氮量，实现为试验环境降温的功能。
氧浓度控制回路8实现试验环境氧浓度的闭环控制，根据试验条件，氧浓度控制回路8实时调节试验环境氧浓度含量。试验环境四周布置多个环境氧浓度传感器10，且每个排风管路内布置一个环境氧浓度传感器10。空气通入管路上安装有电动调节阀，控制通入空气量，通过空气与氮气的混合，调整试验环境氧浓度含量。排气管路安装有排气风机，氧浓度控制回路8控制排气风机的排气量，实现调节试验环境氧浓度升降速率的功能。
本发明的一种用于低氧环境试验的控制系统的控制方法，包括:
(1)水浴汽化器加热控制：总闭锁继电器上电，电气回路接通，启动水浴汽化器中间继电器，为电加热管通电，开始加热，远程监测水浴汽化器本体上温度传感器，直至温度传感器显示达到加热温度后，停止水浴汽化器加热。
(2)系统增压控制：首先，控制器发送控制指令至低温液氮储槽气枕增压入口处的低温电动调节阀，控制系统进入压力闭环控制，同时发送控制指令至水浴汽化器低温液氮入口处的低温电动调节阀，控制进入水浴汽化器的低温液氮量，从而实现主管路压力闭环控制。
(3)气体置换控制：控制打开舱体顶部电动蝶阀，同时发送控制指令至置换电动调节阀，由舱内的环境压力传感器12实时监测舱内压力值，闭环控制舱内压力。舱内配置了环境氧浓度传感器10实时监测舱内的氧浓度。当达到要求的氧浓度时，置换步骤完成。
(4)加热模块冷却控制：加热模块在加热过程中，需要用常温气体对其进行冷却，但加热模块有耐压要求，通入的气体压力不能过高，所以每个支气路需要通过电动调节阀进行压力闭环控制。控制器根据各路压力设定值，独立闭环控制各气体支路的压力，且支路上安装有压力传感器，作为闭环控制反馈。
(5)舱内压力控制：试验过程中，要保证舱内为正压，可防止舱外的空气透入舱内。舱内三面墙壁上各布置了一只环境压力传感器12，三只环境压力传感器12采集舱内压力，并作为压力反馈信号接入控制器。控制器根据试验设定目标压力值，按照闭环控制算法，计算出压力闭环控制量。控制器将控制量转换成控制信号发送至压力调节阀，调节供气量，从而达到调节舱内压力的目的。
(6)舱内氧浓度控制：氮气环境试验舱通过将氮气通入舱内，将舱内空气置换的方法，实现调整氧浓度的功能。控制系统通过调节压缩空气电动调节阀和舱内气体排气调节阀来调整舱内氧浓度。在保证舱内压力恒定的状态下，控制系统发送控制信号至排气调节阀和排气风机，控制排气量的大小。同时，控制系统的舱内压力闭环控制调整氮气的进气量，使舱内压力保持恒定。当需要提高舱内氧浓度时，该控制系统发送一路控制信号至空气进气调节阀，调整空气的进气量，使舱内氧浓度升高。
(7)舱内温度控制：舱内温度随试验过程会随之升高，需为舱内环境降温。控制系统通过调节试验舱内的低温电动调节阀，控制通入舱内的低温液氮量。通入的低温液氮在舱内汽化后，利用汽化潜热将舱内温度降低，达到舱内温度控制的功能。
Claims (15)
1.一种用于低氧环境试验的控制系统，包括操作计算机、控制器、控制回路、传感器；其特征在于，所述控制器包括控制器主站、控制器从站、从站扩展模块；所述控制回路包括供气压力控制回路、水浴汽化器控制回路、加热模块冷却控制回路、压力控制回路、温度控制回路、氧浓度控制回路；所述传感器包括环境氧浓度传感器、环境温度传感器、环境压力传感器；操作计算机与控制器主站之间通过以太网通讯，控制器主站与控制器从站之间通过以太网通讯，控制器从站与从站扩展模块之间通过接口模块通讯；操作计算机对控制器主站发送试验参数并接收控制器主站发送的试验数据，并将试验数据保存至操作计算机的硬盘内；控制器主站直接控制供气压力控制回路和水浴汽化器控制回路，控制器从站直接控制加热模块冷却控制回路、压力控制回路、温度控制回路、氧浓度控制回路，并接收压力传感器和一部分温度传感器的反馈；从站扩展模块接收氧浓度传感器和另一部分温度传感器的反馈。
2.如权利要求1所述的一种用于低氧环境试验的控制系统，其特征在于，供气压力控制回路包括系统增压闭环控制和供气管路压力闭环控制两部分；通过向低温液氮储槽内通入氮气实现系统增压，低温液氮储槽配有低温液氮储槽压力传感器，实时监测低温液氮储槽内的压力，并将压力信号发送至控制器主站，通过闭环控制算法计算控制量，并将控制信号发送至氮气流量调节装置，调节通入低温液氮储槽内的氮气量，实现系统增压闭环控制；氮气通入的管路上安装的氮气管路压力传感器用于监测管路内的氮气压力，控制器主站根据氮气管路压力传感器反馈的压力值，实时调节管路节流装置，达到供气管路压力闭环控制。
3.如权利要求1所述的一种用于低氧环境试验的控制系统，其特征在于，水浴汽化器温度控制回路用于调节水浴汽化器内换热介质温度，水浴汽化器内安装的水浴汽化器温度传感器用于监测水浴汽化器内换热介质温度，并反馈至控制器主站，经过闭环控制算法计算后，控制器主站发送控制信号至水浴汽化器功率调节器，控制加热功率，当水浴汽化器内换热介质温度达到目标温度后，停止加热。
4.如权利要求1所述的一种用于低氧环境试验的控制系统，其特征在于，加热模块冷却控制回路用于控制电动调节阀调节通入加热模块的氮气量，利用氮气热交换，将试验过程中的加热模块进行冷却；每路氮气配有冷却用氮气压力传感器，冷却用氮气压力传感器将管路内的压力以模拟信号的形式反馈至控制器从站，经控制器从站转换为数字信号后，通过以太网发送至控制器主站进行闭环控制运算，计算得出的控制量再经以太网发送至控制器从站，控制器从站发送控制信号至电动调节阀以调节阀门开度，实现管路稳定压力的功能。
5.如权利要求1所述的一种用于低氧环境试验的控制系统，其特征在于，压力控制回路实现试验环境压力闭环控制，试验环境四周布置多个环境压力传感器，环境压力传感器实时监测试验环境压力，并反馈至控制器从站，闭环控制算法选择以压力最大值或压力均值作为闭环控制反馈；控制器从站发送控制信号至环境压力电动调节阀，调节通入试验环境内的氮气，实现试验环境压力稳定的功能。
6.如权利要求1所述的一种用于低氧环境试验的控制系统，其特征在于，温度控制回路实现试验环境温度闭环控制，试验加热过程中，环境温度随之升高，对试验环境内的仪器仪表的正常工作产生影响，所以需保证试验环境温度保持在合理范围内；采用低温液氮作为冷却介质，试验环境四周布置多只环境温度传感器，环境温度传感器监测试验环境温度，并反馈至控制器从站和从站扩展模块，以多个温度值的最大值作为闭环控制反馈，调节低温液氮流量调节阀的开度，控制通入试验环境低温液氮量，实现为试验环境降温的功能。
7.如权利要求1所述的一种用于低氧环境试验的控制系统，其特征在于，氧浓度控制回路实现试验环境氧浓度的闭环控制，根据试验条件，氧浓度控制回路实时调节试验环境氧浓度含量；试验环境四周布置多个环境氧浓度传感器，且每个排风管路内布置一个环境氧浓度传感器；空气通入管路上安装有电动调节阀，控制通入空气量，通过空气与氮气的混合，调整试验环境氧浓度含量；排气管路安装有排气风机，氧浓度控制回路控制排气风机的排气量，实现调节试验环境氧浓度升降速率的功能。
8.一种采用权利要求1～7任一的用于低氧环境试验的控制系统的控制方法，其特征在于，包括：水浴汽化器加热控制、系统增压控制、气体置换控制、加热模块冷却控制、舱内压力控制、舱内氧浓度控制、舱内温度控制；所述控制方法用于飞行器舱环境。
9.如权利要求8所述的一种用于低氧环境试验的控制系统的控制方法，其特征在于，所述水浴汽化器加热控制包括：总闭锁继电器上电，电气回路接通，启动水浴汽化器中间继电器，为电加热管通电，开始加热，远程监测水浴汽化器本体上温度传感器，直至温度传感器显示达到加热温度后，停止水浴汽化器加热。
10.如权利要求8所述的一种用于低氧环境试验的控制系统的控制方法，其特征在于，所述系统增压控制包括：首先，控制器发送控制指令至低温液氮储槽气枕增压入口处的低温电动调节阀，控制系统进入压力闭环控制，同时发送控制指令至水浴汽化器低温液氮入口处的低温电动调节阀，控制进入水浴汽化器的低温液氮量，从而实现主管路压力闭环控制。
11.如权利要求8所述的一种用于低氧环境试验的控制系统的控制方法，其特征在于，所述气体置换控制包括：控制打开舱体顶部电动蝶阀，同时发送控制指令至置换电动调节阀，由舱内的环境压力传感器实时监测舱内压力值，闭环控制舱内压力；舱内配置了环境氧浓度传感器实时监测舱内的氧浓度；当达到要求的氧浓度时，置换步骤完成。
12.如权利要求8所述的一种用于低氧环境试验的控制系统的控制方法，其特征在于，所述加热模块冷却控制包括：加热模块在加热过程中，需要用常温气体对其进行冷却，但加热模块有耐压要求，通入的气体压力不能过高，所以每个支气路需要通过电动调节阀进行压力闭环控制；控制器根据各路压力设定值，独立闭环控制各气体支路的压力，且支路上安装有压力传感器，作为闭环控制反馈。
13.如权利要求8所述的一种用于低氧环境试验的控制系统的控制方法，其特征在于，所述舱内压力控制包括：试验过程中，要保证舱内为正压，可防止舱外的空气透入舱内；舱内三面墙壁上各布置了一只环境压力传感器，三只环境压力传感器采集舱内压力，并作为压力反馈信号接入控制器。控制器根据试验设定目标压力值，按照闭环控制算法，计算出压力闭环控制量；控制器将控制量转换成控制信号发送至压力调节阀，调节供气量，从而达到调节舱内压力的目的。
14.如权利要求8所述的一种用于低氧环境试验的控制系统的控制方法，其特征在于，所述舱内氧浓度控制包括：氮气环境试验舱通过将氮气通入舱内，将舱内空气置换的方法，实现调整氧浓度的功能；控制系统通过调节压缩空气电动调节阀和舱内气体排气调节阀来调整舱内氧浓度；在保证舱内压力恒定的状态下，控制系统发送控制信号至排气调节阀和排气风机，控制排气量的大小；同时，控制系统的舱内压力闭环控制调整氮气的进气量，使舱内压力保持恒定。当需要提高舱内氧浓度时，该控制系统发送一路控制信号至空气进气调节阀，调整空气的进气量，使舱内氧浓度升高。
15.如权利要求8所述的一种用于低氧环境试验的控制系统的控制方法，其特征在于，所述舱内温度控制包括：舱内温度随试验过程会随之升高，需为舱内环境降温；控制系统通过调节试验舱内的低温电动调节阀，控制通入舱内的低温液氮量；通入的低温液氮在舱内汽化后，利用汽化潜热将舱内温度降低，达到舱内温度控制的功能。
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