CN108088690A - 一种气动加热模拟试验系统 - Google Patents
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Abstract
一种气动加热模拟试验系统，利用基于遗传算法的PID，实现对温度热流的实时跟踪控制，实现模拟气动加热，系统采用移相触发调压，实现对石英灯功率的控制。该控制系统运行稳定可靠，对温度和热流都有很好的控制效果，具有工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种气动加热模拟试验系统，适用于机械领域。
背景技术
高速飞行器的气动加热现象不可避免，在这样一种热环境下飞行，对飞行器结构与材料是一种挑战。由于处于受热飞行状态下的飞行器还需要做转向、加速等高度机动动作，这使得其壳体材料和结构强度与热环境关系变得十分复杂，需要研究这种多状态、快速连续的非线性变化过程。研究解决上述各种结构热问题，是飞行器设计的关键技术问题之一。
结构热试验技术是为解决飞行器高速后出现的热障问题而发展起来的一种地面模拟试验技术。它通过在地面等效模拟飞行热环境和气动载荷来考察其对结构的影响，提高飞行器初步设计的效率，丰富高速飞行器设计的手段。由于结构热试验技术的复杂性，目前国内还没有全面开展这方面的研究。对于此方法的验证，大多数文献都采用仿真数据来进行分析，与工程实际情况有一定差距。
发明内容
本发明提出了一种气动加热模拟试验系统，利用基于遗传算法的PID，实现对温度热流的实时跟踪控制，实现模拟气动加热，系统采用移相触发调压，实现对石英灯功率的控制。
本发明所采用的技术方案是：
所述气动加热模拟试验系统由可编程控制器输出4~20mA电流，用它来实现移相控制，并使导通角和电流呈线性关系，但由于控制器的输出信号太小，还要采用可控硅触发器，将信号放大并转换为脉冲信号才能触发晶闸管。
所述气动加热模拟试验系统通过红外辐射模拟气动加热传递给飞行器结构的热量，使红外辐射给飞行器表面的热流等于气动加热施加给飞行器的热流，然后测量结构的热响应。
所述气动加热模拟试验系统由控制系统、加热系统、数据采集系统组成，控制系统主要包括计算机和开发的控制软件，加热系统是执行机构，包括电功率调节器、红外辐射加热器。数据采集系统包括PLC、传感器和变送器。
本发明的有益效果是：该控制系统运行稳定可靠，对温度和热流都有很好的控制效果，具有工程应用价值。
附图说明
图1是本发明的移相触发晶闸管调压控制电路原理图。
图2是本发明的系统整体结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1，移相触发调压，即在交流电的半个周期(正半周期或负半周期)内，通过控制(移动)触发脉冲的相位，来调整导通时间(又称导通角)和关断时间(又称控制角)的比例，以达到改变输出电压平均值的目的。移相触发调压方式的移相范围宽，控制方式简单，易于集中控制，有效保护、输出电流大等优点，是交流调压的理想电路，并可由交流电网直接供电，无需外加同步、脉冲变压器和外接直流电源。
在该系统中，由可编程控制器( programable logic controller，PLC)输出4~20mA电流，用它来实现移相控制，并使导通角和电流呈线性关系。但由于控制器的输出信号太小，还要采用可控硅触发器，将信号放大并转换为脉冲信号才能触发晶闸管。
随着PLC控制器输出电流I的大小的不同，电容C3的充电速率不一样，C3的电荷放电时问也就有所不同。输出脉冲即发生相移，导致触发脉冲使晶闸管的导通角随其相移而改变，通过品闸管的电流就会因为控制动作的不同而相应变化，从而达到控制效果。
如图2，气动加热模拟试验系统通过红外辐射模拟气动加热传递给飞行器结构的热量，使红外辐射给飞行器表面的热流等于气动加热施加给飞行器的热流，然后测量结构的热响应。它由控制系统、加热系统、数据采集系统组成。控制系统主要包括计算机和开发的控制软件。加热系统是执行机构，包括电功率调节器、红外辐射加热器。数据采集系统包括PLC、传感器和变送器。
飞行器的气动加热是一个瞬态过程，试验室模拟这个过程的目的是重现结构真实的温度分布，用于考察热响应特性。石英灯的热惯性非常小，可以根据结构的形状进行布置，非常适合大面积的气动热试验。在该气动加热模拟试验中，选用石英灯作为辐射加热单元。
系统工作时，由测量传感器将连续变化的温度或热流值采入。信号送入PLC控制器中，PLC控制器通过PID控制算法，对采样数据进行计算得到控制量，并经过转换成模拟信号后驱动电功率调节装置，调节加在石英加热装置上的电压，从而实现飞行器表面温度量或热流量连续变化过程的自动控制。
在本实验系统中，采用西门子公司的WINCC作为上位机软件，通过TCP/IP协议与PLC中的通信模块实现网络通信，实现了25 MS的传输速率。实验显示，系统采用WINCC的多任务窗口方式转换应用，提供了快速、简捷、准确、方便、人性化的友好人机交互计算机操作界面。
在对系统的研究中，正确并快速地估算热环境对制定合理的控制策略是十分有意义的。首先，对加热系统进行系统识别，找出动、静态特性，计算得出系统模型，整定得出系统的PID控制参数，进而让PLC按实时的数据选取相应的PID参数进行加热控制。
系统的静态特性不随电压变化，它取决于灯的类型、灯的排列方式、灯与热流计、热电偶的位置关系等试验安排状态。每个试验安排都有其特定的静态特性。系统的动态特性紧随电压而变，由PLC控制器输出值控制，与石英灯加热系统的具体安排无关。在本系统中，先对加热系统进行系统识别，找出静态特性。
Claims (3)
1.一种气动加热模拟试验系统，其特征是：所述气动加热模拟试验系统由可编程控制器输出4~20mA电流，用它来实现移相控制，并使导通角和电流呈线性关系，但由于控制器的输出信号太小，还要采用可控硅触发器，将信号放大并转换为脉冲信号才能触发晶闸管。
2.根据权利要求1所述的一种气动加热模拟试验系统，其特征是：所述气动加热模拟试验系统通过红外辐射模拟气动加热传递给飞行器结构的热量，使红外辐射给飞行器表面的热流等于气动加热施加给飞行器的热流，然后测量结构的热响应。
3.根据权利要求1所述的一种气动加热模拟试验系统，其特征是：所述气动加热模拟试验系统由控制系统、加热系统、数据采集系统组成，控制系统主要包括计算机和开发的控制软件，加热系统是执行机构，包括电功率调节器、红外辐射加热器，数据采集系统包括PLC、传感器和变送器。
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| CN201611023440.4A CN108088690A (zh) | 2016-11-21 | 2016-11-21 | 一种气动加热模拟试验系统 |
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Publications (1)
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| CN108088690A true CN108088690A (zh) | 2018-05-29 |
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| CN201611023440.4A Pending CN108088690A (zh) | 2016-11-21 | 2016-11-21 | 一种气动加热模拟试验系统 |
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| CN (1) | CN108088690A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110567742A (zh) * | 2019-09-10 | 2019-12-13 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种模拟气动加热环境的装置 |
| CN112965364A (zh) * | 2021-02-08 | 2021-06-15 | 南京工业大学 | 一种高超声速飞行器气动热地面模拟系统建模及iPID方法 |
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2016
- 2016-11-21 CN CN201611023440.4A patent/CN108088690A/zh active Pending
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| CN112965364A (zh) * | 2021-02-08 | 2021-06-15 | 南京工业大学 | 一种高超声速飞行器气动热地面模拟系统建模及iPID方法 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180529 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |