CN110789744B

CN110789744B - 一种姿控动力系统热环境模拟试验热流控制系统及方法

Info

Publication number: CN110789744B
Application number: CN201911026189.0A
Authority: CN
Inventors: 李广会; 寇鑫; 李民民; 吕欣; 李红林; 李志勋; 朱伦伦; 刘阳; 赵飞; 何小军; 张慧君; 李永斌; 吴波; 董冬; 牛强
Original assignee: Xian Aerospace Propulsion Testing Technique Institute
Current assignee: Xian Aerospace Propulsion Testing Technique Institute
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2039-10-25
Also published as: CN110789744A

Abstract

本发明属于航天发动机环境模拟技术领域，具体涉及一种姿控动力系统热环境模拟试验热流控制系统及方法，解决了现有技术中灯阵热流密度控制连续性和可靠性不足，且过程中若热流测量出现较大偏离没有预警和应急处理的技术问题，其中，系统由上位机、控温仪、可控硅功率输出器和温度/热流传感器组成。控温仪采集试件的热流/温度值，与接收来自上位机的热流值进行比较，采用PID控制算法控制可控硅功率输出器的输出功率，同时将采集到的热流/温度值反馈给上位机进行数据保存、处理。控制方法包括开环控制、以及在热流值或可控硅功率输出器输出电压出现较大偏差时，可由闭环控制切换为开环控制。

Description

一种姿控动力系统热环境模拟试验热流控制系统及方法

技术领域

本发明属于航天发动机环境模拟技术领域，具体涉及一种姿控动力系统热环境模拟试验热流控制方法方法及系统。

背景技术

热环境模拟试验中多采用红外灯阵进行加热，其优点在于加热速率快，通过调节输入电压开度即可调整其加热功率。部分姿控动力系统整机试验时，根据试验任务要求，在地面防隔热试验中，需对轨控舱进行分区热流加载，热载荷加载区域分为迎风面锥段、迎风面柱段、背风面锥段和背风面柱段，共四个区域。辐射加热试验时间一般不小于500s。

目前，热环境模拟试验中仍存在以下问题：

1)灯阵热流密度的控制不具备闭环控制、开环控制及闭环迅速切换开环控制功能，试验过程中热流加载的连续性及可靠性无法保障；

2)未设置故障预警系统，不能实时显示目标热流曲线和加载电压换算的热流曲线，无法对试验过程中12个分区的真实热流载荷实时监视，当出现较大偏离时，无法将相应分区切换至开环。

发明内容

本发明的主要目的是在于解决现有技术中灯阵热流密度控制连续性和可靠性不足，且过程中若热流测量出现较大偏离没有预警和应急处理的技术问题，提供一种姿控动力系统热环境模拟试验热流控制系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种姿控动力系统热环境模拟试验热流控制系统，其特殊之处在于，包括：上位机、控温仪、可控硅功率输出器、以及红外灯阵；

所述上位机用于不同时刻的热流值及热流计采集的热流值，通过查询对应关系表将热流值转换为可控硅功率输出器输出的百分比，并将可控硅功率输出器输出的百分比发送给控温仪；对应关系表是通过标定红外灯阵各分区不同时刻的热流值与可控硅功率输出器输出的百分比的对应关系得到；

所述控温仪通过模拟量控制将可控硅功率输出器输出的百分比发送给可控硅功率输出器；

所述可控硅功率输出器用于输出对应功率对红外灯阵进行加电；

所述红外灯阵用于对待测试件进行加热，待测试件的表面设置有热流计。

进一步地，温控仪与上位机采用RS-485总线通信，经串口服务器将485串口转换为LAN接口传送，RS-485总线通信输出在通讯和接收状态下，均为高阻状态。

一种如上所述姿控动力系统热环境模拟试验热流控制系统的控制方法，其特殊之处在于，所述控制方法为分区控制，包括以下步骤：

步骤1，对待测试件表面进行分区，并分别对每个区内不同时刻的热流值与可控硅功率输出器输出的百分比之间的关系进行标定，得到每个区不同时刻的预设热流值；

步骤2，将每个区不同时刻的预设热流值输入至上位机；

步骤3，上位机根据不同时刻的预设热流值和安装于待测试件表面的热流计采集的热流值，通过PID控制算法计算得到可控硅功率输出器输出的百分比；

步骤4，上位机将可控硅功率输出器输出的百分比发送至控温仪；

步骤5，控温仪通过模拟量控制将可控硅功率输出器输出的百分比发送至可控硅功率输出器；

步骤6，可控硅功率输出器根据可控硅功率输出器输出的百分比数据输出相应功率对红外灯阵进行加电；

步骤7，红外灯阵对待测试件进行加热，可控硅功率输出器输出的百分比数据也发送至上位机，热流计采集待测试件的热流值，并通过数据采集器发送至上位机；

步骤8，上位机判断所述待测试件的热流值是否超出预设报警值，或可控硅功率输出器输出的百分比数据对应的电压值是否超出预设电压值；若热流值或电压值未超出，返回步骤2，形成热流闭环控制；若热流值或电压值超出则报警，则依次执行步骤9-14，形成开环控制；

步骤9，将不同时刻的预设热流值输入至上位机；

步骤10，查询对应关系表，通过上位机将不同时刻的预设热流值转换为可控硅功率输出器输出的百分比；对应关系表是根据红外灯阵不同时刻的预设热流值与可控硅功率输出器输出的百分比之间的对应关系得到的；

步骤11，上位机将可控硅功率输出器输出的百分比发送至控温仪；

步骤12，控温仪通过模拟量控制将可控硅功率输出器输出的百分比发送至可控硅功率输出器；

步骤13，可控硅功率输出器输出相应功率对红外灯阵进行加电；

步骤14，红外灯阵对待测试件进行加热，通过安装于待测试件表面的热流计采集待测试件的热流值，发送至数据采集器，计算得到热流值，完成热流开环控制。

进一步地，开环控制的执行时刻与闭环控制的执行时刻一致。

进一步地，所述步骤1具体为：整定不同预设热流值下的比例、积分和微分控制参数，对应不同预设热流值建立隶属度函数对应关系与控制规则，制作预设热流值与控制参数对应关系表；再根据预设的热流密度曲线，通过插值的方式，以每隔一秒的间隔得到对应的预设热流值。

一种如上所述姿控动力系统热环境模拟试验热流控制系统的控制方法，其特殊之处在于，所述控制方法为分区开环控制，包括以下步骤：

步骤2，对每个区内预设热流值与可控硅功率输出器输出的百分比之间的关系进行标定；

步骤3，将每个区不同时刻的预设热流值输入至上位机；

步骤4，上位机通过查询对应关系表，将不同时刻的预设热流值转换为可控硅功率输出器输出的百分比；对应关系表是通过标定红外灯阵不同时刻的预设热流值与可控硅功率输出器输出的百分比的对应关系得到的；

步骤5，上位机将可控硅功率输出器输出的百分比发送至控温仪；

步骤6，控温仪通过模拟量控制将可控硅功率输出器输出的百分比发送至可控硅功率输出器；

步骤7，可控硅功率输出器输出相应功率对红外灯阵进行加电；

步骤8，红外灯阵对待测试件进行加热，通过安装于待测试件表面的热流计采集待测试件的热流值，发送至数据采集器，计算得到热流值，完成热流开环控制。

进一步地，所述步骤1具体为根据各区预设的热流密度曲线，通过插值的方式，以每隔5s的时间间隔得到对应热流密度值，并制作各区时间与热流密度值的对应关系表。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明姿控动力系统整机热环境模拟分区热流控制系统由上位机、控温仪、可控硅功率输出器和温度/热流传感器组成。控温仪采集试件的热流/温度值，与接收来自上位机的不同时刻的热流值进行比较，采用PID控制算法控制可控硅功率输出器的输出功率，同时将采集到的热流/温度值反馈给上位机进行数据保存、处理。

2、本发明高热流模拟系统闭环控制是在试验过程中根据设定目标热流值及热流反馈值通过控制算法得到可控硅功率输出器输出的百分比，并将该数据发送给可控硅功率输出器，由可控硅控制红外灯供电给试件加温，从而实现热流的闭环自动控制。

3、本发明热流开环控制是通过试验前对各分区热流值标定的方法对系统进行控制，在试验前需将不同时刻的热流值与可控硅功率输出器输出的百分比之间的关系进行标定。标定完成后，将所得到的数据制成表格，即不同时刻的热流值与可控硅功率输出器输出的百分比对应关系表，实现热流的开环控制。

附图说明

图1为本发明实施例1闭环控制系统的信号流向示意图；

图2为本发明实施例2开环控制系统的信号流向示意图；

图3为舱体的结构示意图；

图4为图3中柱段的周向分区示意图。

其中，1-后锥段、2-前锥段、3-柱段。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

参见图1和2，本发明姿控动力系统整机热环境模拟分区热流控制系统，共配15路可控硅功率输出器，设计控制5组控制柜。每个可控硅功率输出器输出可连接红外灯阵。可控硅功率输出器可以选用JK3S-300，额定电流300A，功率150KW。控温仪可以选用日本SHIMA岛通MAC50D温控仪，0.25级智能PID数字调节器。

控温仪与上位机采用RS-485总线通信，经串口服务器将485串口转换为LAN接口传送，RS-485总线通信输出在未通讯和接收状态总是高阻状态，以避免发送信号的冲突，仅在发送前从高阻状态变为正常输出状态。在传送完成时再次返回高阻状态。

数据采集器可采集其余非控制点的热电偶及热流计，通过LAN通信将所有测量数据汇总于上位数据采集软件，并通过上位监视软件实现对所有测量控制数据的汇总分析，供参试人员实时掌握系统的运行状态，及时发现系统存在的异常问题并进行干预。

考虑整机热流加载的可靠性和安全性，热流密度同时具备闭环控制和开环控制两种方式，并可实时快速从闭环切换至开环。

实施例1：闭环控制方法

如图1所示，闭环控制的具体方法如下：

1)整定不同目标热流值下的比例、积分、微分控制参数；对应不同目标热流值建立隶属度函数对应关系与控制规则；制作热流值与控制参数对应关系表；

2)根据要求的热流密度曲线，通过插值的方式，以每隔一秒的间隔得到对应的热流值，并制作时间与热流值对应关系表。

试验过程中，由控温仪采集热流计的热流值；上位机以LAN方式读取控温仪采集的热流值，并按照时间序列得到该时刻对应的目标热流值，查表(热流值与控制参数对应关系表)后得到对应的控制参数，并将该控制参数以及目标热流值发送给温控仪；温控仪根据设定目标热流值以及控制参数，通过PID控制器进行计算得到模拟量输出值，并将该模拟量输出值发送给可控硅功率输出器，由可控硅功率输出器控制红外灯供电给试件加温；温控仪采集安装在试件表面的热流计作为反馈值输入给控温仪。

闭环控制方法如下：

1)将试验工况数据(不同时刻的热流值)作为目标值发送给上位机；

2)上计算机根据目标值及热流计采集的热流值，通过控制算法计算得到可控硅功率输出器输出的百分比；

3)上位机通过LAN总线的方式由串口服务器将数据(可控硅功率输出器输出的百分比)发送给控温仪(数字信号)；

4)控温仪通过模拟量控制方式将数据(可控硅功率输出器输出的百分比)发送给可控硅功率输出器；

5)可控硅功率输出器根据指令输出对应的功率对红外灯阵进行加电；

6)红外灯阵对试件进行加热，并由试件表面的热流计将热流值发送至数据采集器；

7)计算机采集热流计热流值后，重复执行步骤2)，形成热流闭环控制。

实施例2，开环控制方法

如图2所示，开环控制的具体方法如下：

1)根据要求的热流密度曲线，通过插值的方式，以每隔5秒的间隔得到对应的热流值，并制作时间与热流值对应关系表。其中实施例1中闭环控制插值的时间间隔为1s，实施例2中开环控制的插值的时间间隔为5s，闭环控制的时效性更强，因此可以设置时间间隔更小，精确度更高的时间间隔。

2)完成开环标定工作，根据时间与热流值对应关系表，标定不同热流值与可控硅功率输出器的输出电压值。标定完成后，将所得到的数据制成表格，即试验工况各分区所有热流值与可控硅功率输出器的输出电压值的对应关系表。

开环控制方法如下：

1)将试验工况数据(不同时刻的热流值)作为输入发送给上位机；

2)上计算机通过查表(热流值与可控硅功率输出器输出的百分比对应关系表)的方式将热流值转换为可控硅功率输出器输出的百分比；

6)红外灯阵对试件进行加热，并由试件表面的热流计将热流值发送至数据采集器，并计算得到热流值。

实施例3，闭环切开环控制

为防止在试验过程中闭环热流计损坏或测量精度受外界干扰太大，此时热流控制程序具备将热环境模拟系统快速从闭环控制切换至开环控制的能力，切换至开环控制时，开环控制程序的执行时刻与闭环控制程序的执行时刻保持一致，从而保证试验过程的程序完整性。

闭环和开环控制过程中，热环境装置各分区的电压曲线均进行采集并实时显示，当电压值与预定的电压值之间差值超出预定范围后，对该分区进行预警显示，判断是否切入开环控制或者采取其他措施。

闭环切开环控制，可以通过人工判断是否切入开环控制，也可以由上位机进行判断，当电压值与预定的电压值之间差值超出预定范围，上位机进行预警，并将切入闭环控制。

上述的分区具体为：红外灯阵5套设于舱体4外围，通过红外灯阵5对舱体4表面加热，红外灯阵5的分区与舱体4表面的分区相对应，舱体4的每个分区由对应分区的红外灯阵5进行加热，舱体4和红外灯阵5均安装于支架上，且同轴布置。通过对红外灯阵供电，由此产生红外辐射，实现对舱体表面热流密度的加载；为满足整机舱体表面分区热流加载的目的，热环境装置采用模块化灯阵构成，共分成12个独立加热区，与模拟舱体的十二个区相对应，同时各自布置一支闭环高温热流计，该热流计处于灯管和舱体表面之间，与舱体表面的到达热流会有一定的差距。如图3，所述舱体沿轴向分为三段：柱段3、前锥段2和后锥段1；

本发明对分区热流控制方法进行了调试验证，具体调试验证过程如下：

调试状态：供电电源由3台1MW发电机组提供，发电机组通过12根240mm²电缆接至分线柜中，分线柜—调功柜—转接箱—灯阵动力线缆已连接，热流控制系统及灯阵移动机构控制系统在控制计算机上完成，控制计算机放置于控制大厅，通过网线与前台灯阵系统进行通讯。

调试前在12个分区对应的模拟件壁面分别布置一支热流计，热流计距离灯阵闭环热流计的相对位置保持一致。根据对应关系，分别设定闭环热流计热流值为10kW/m²、20kW/m²、30kW/m²、40kW/m²、50kW/m²、60kW/m²、70kW/m²、80kW/m²(覆盖目标区域热流密度范围)；闭环热流传感器值达到每档设定值时，同时采集记录对应的灯阵热流计和目标热流计数值，加载完成后，对标定的热流密度数据进行三次多项式拟合，获取灯阵闭环热流计与目标热流计的对应关系及系数。

将柱段3沿周向均匀分为四个区域，分别定义为一区、二区、三区和四区；将前锥段2沿周向均匀分为四个区域，分别定义为五区、六区、七区和八区；将后锥段1沿周向均匀分为四个区域，分别定义为九区、十区、十一区和十二区；其中一区、五区和九区沿轴向投影重叠，二区、六区和十区沿轴向投影重叠，三区、七区和十一区沿轴向投影重叠，四区、八区和十二区沿轴向投影重叠。如图4，左下角区域，即柱段迎风面对应区域为一区，以柱段中心为圆心，建立直角坐标系，一区对应为柱段第一象限，沿顺时针方向分别为二区、三区和四区，对应为柱段第二象限、柱段第三象限和柱段第四象限；同理，前锥段2和后锥段1各分为四个区，对应定义前锥段第一象限、前锥段第二象限、前锥段第三象限和前锥段第四象限，以及后锥段第一象限、后锥段第二象限、后锥段第三象限和后锥段第四象限。

上述的待测试件即为姿控动力系统。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种姿控动力系统热环境模拟试验热流控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法为分区控制，所述姿控动力系统热环境模拟试验热流控制系统包括上位机、控温仪、可控硅功率输出器、以及红外灯阵；

所述上位机用于采集热流计在不同时刻所测热流值，通过查询对应关系表将热流值转换为可控硅功率输出器输出的百分比，并将可控硅功率输出器输出的百分比发送给控温仪；对应关系表是通过标定红外灯阵各分区不同时刻的热流值与可控硅功率输出器输出的百分比的对应关系得到；

所述红外灯阵用于对待测试件进行加热，待测试件的表面设置有热流计；

包括以下步骤：

所述分区具体为：舱体沿轴向分为柱段、前锥段和后锥段，所述柱段、前锥段和后锥段均沿周向均匀分为四个区域，将舱体分为12个独立加热区，所述红外灯阵的分区与舱体的12个独立加热区相对应；

步骤2，将每个区不同时刻的预设热流值输入至上位机；

步骤9，将不同时刻的预设热流值输入至上位机；

2.根据权利要求1所述的一种姿控动力系统热环境模拟试验热流控制系统的控制方法，其特征在于：开环控制的执行时刻与闭环控制的执行时刻一致。

3.根据权利要求2所述的一种姿控动力系统热环境模拟试验热流控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：整定不同预设热流值下的比例、积分和微分控制参数，对应不同预设热流值建立隶属度函数对应关系与控制规则，制作预设热流值与控制参数对应关系表；再根据预设的热流密度曲线，通过插值的方式，以每隔一秒的间隔得到对应的预设热流值。

4.根据权利要求3所述的一种姿控动力系统热环境模拟试验热流控制系统的控制系统，其特征在于，温控仪与上位机采用RS-485总线通信，经串口服务器将485串口转换为LAN接口传送，RS-485总线通信输出在通讯和接收状态下，均为高阻状态。

5.一种姿控动力系统热环境模拟试验热流控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法为分区开环控制，所述姿控动力系统热环境模拟试验热流控制系统包括上位机、控温仪、可控硅功率输出器、以及红外灯阵；

包括以下步骤：

步骤3，将每个区不同时刻的预设热流值输入至上位机；

6.如权利要求5所述的一种姿控动力系统热环境模拟试验热流控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为根据各区预设的热流密度曲线，通过插值的方式，以每隔5s的时间间隔得到对应热流密度值，并制作各区时间与热流密度值的对应关系表。

7.根据权利要求6所述的一种姿控动力系统热环境模拟试验热流控制系统的控制方法，其特征在于，温控仪与上位机采用RS-485总线通信，经串口服务器将485串口转换为LAN接口传送，RS-485总线通信输出在通讯和接收状态下，均为高阻状态。