CN113252493A - 一种热强度试验系统控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于飞行器防热结构热强度试验领域，一般的控制或调节系统，特别涉及一种热强度试验系统控制方法。包括：步骤一、获取热强度实验的热流曲线，将所述热流曲线分成多段，获取每段热流曲线中的各热流峰值，并根据各热流峰值计算每段热流曲线的热流基准值；步骤二、确定前馈系数，并根据前馈系数计算每段热流曲线的前馈输出值，前馈输出值等于前馈系数与热流基准值的乘积；步骤三、根据前馈输出值计算出每段热流曲线的控制输出值；步骤四、控制系统根据每段热流曲线的控制输出值进行热强度试验。本申请通过合理确定前馈系数、PID输出以及前馈控制输出的权重，实现前馈热流补偿控制，能够有效提高热流控制系统的响应速度和控制精度。

Description

一种热强度试验系统控制方法
技术领域
本申请属于飞行器防热结构热强度试验领域，一般的控制或调节系统，特别涉及一种热强度试验系统控制方法。
背景技术
热强度试验是一种研究飞行器结构或构件在热环境中的力学性态和抵抗破坏的能力的常用方法，热流控制方式能够直接模拟飞行器在飞行中结构表面与气流之间的净换热量，因此经常采用热流方式进行加热控制。同样，对于表面带烧蚀型防热涂层的结构，由于加热过程中涂层发生一系列的物理-化学变化，理论计算和试验均难得到可信的温度数据，故只能采用热流控制方式进行加热。因此热强度试验中热流的控制精度在很大程度上影响了试验的考核效果。
现有技术的热强度试验中的热流控制方法还存在控制精度低、响应速度慢的问题。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本申请的目的是提供了一种热强度试验系统控制方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。
本申请的技术方案是：
一种热强度试验系统控制方法，包括：
步骤一、获取热强度实验的热流曲线，将所述热流曲线分成多段，获取每段热流曲线中的各热流峰值，并根据各热流峰值计算每段热流曲线的热流基准值；
步骤二、确定前馈系数，并根据前馈系数计算每段热流曲线的前馈输出值，前馈输出值等于前馈系数与热流基准值的乘积；
前馈系数为：
Ki=
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
Ci =
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
基准
前馈输出值为：
VF-i=Ki
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
其中，Ki为第i段热流曲线的前馈系数，Ci为第i段热流曲线的控制输出比例系数，Vout为控制系统的实时控制输出值，
Figure 729545DEST_PATH_IMAGE003
为第i段热流曲线的热流基准值，i为第i段热流曲线，n为热流曲线总段数，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
基准为控制输出比例系数的基准值，VF-i为第i段热流曲线的前馈输出值；
步骤三、根据前馈输出值计算出每段热流曲线的控制输出值：
Vout-i=（aVPID+bVF-i）
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
2
其中，Vout-i为第i段热流曲线的控制输出值，VPID为PID输出值，VF-i为第i段热流曲线的前馈输出值，a为PID控制的权重系数，b为前馈控制的权重系数，且a+b=1；
步骤四、控制系统根据每段热流曲线的控制输出值进行热强度试验。
可选地，步骤一中，将所述热流曲线分成5-10段。
可选地，每段热流曲线的所述热流基准值为该段热流曲线的各热流峰值的均值。
可选地，每段热流曲线的所述热流基准值为该段热流曲线的各热流峰值中的最大值。
可选地，步骤二中，所述控制输出比例系数的基准值C基准取自65%-66%中的任一值。
可选地，步骤二中，所述控制输出比例系数的基准值C基准为65%。
可选地，步骤三中，所述PID控制的权重系数a=0.5，所述前馈控制的权重系数b=0.5。
可选地，步骤三中，所述PID控制的权重系数a=0.5s，所述前馈控制的权重系数b=1-0.5s，s为PID控制器的延迟系数。
可选地，步骤四中，所述控制系统根据每段热流曲线的控制输出值进行热强度试验包括：
S401、制作与试验件外形相同的模拟件，控制系统根据每段热流曲线的控制输出值对所述模拟件进行模拟热强度试验；
S402、获取模拟热强度实验的热流曲线，重复步骤一至步骤三，获取根据模拟热强度实验的热流曲线重新计算出每段热流曲线的控制输出值；
S403、控制系统根据S402中每段热流曲线的控制输出值对试验件进行正式热强度试验。
发明至少存在以下有益技术效果：
本申请的热强度试验系统控制方法，通过合理确定前馈系数、PID输出以及前馈控制输出的权重，实现前馈热流补偿控制，能够有效提高热流控制系统的响应速度和控制精度，在地面热强度模拟试验中能够在很大程度上提高试验的控制精度，具有很高的应用价值。
附图说明
图1是本申请一个实施方式的热强度试验系统控制方法流程图；
图2是本申请一个实施方式的热强度试验系统控制方法前馈补偿示意图；
图3是本申请另一个实施方式的热强度试验系统控制方法流程图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
下面结合附图1至图3对本申请做进一步详细说明。
本申请提供了一种热强度试验系统控制方法，包括以下步骤：
S100、获取热强度实验的热流曲线，将热流曲线分成多段，获取每段热流曲线中的各热流峰值，并根据各热流峰值计算每段热流曲线的热流基准值；
S200、确定前馈系数，并根据前馈系数计算每段热流曲线的前馈输出值，前馈输出值等于前馈系数与热流基准值的乘积；
前馈系数为：
Ki=
Figure 181386DEST_PATH_IMAGE001
Ci=
Figure 311016DEST_PATH_IMAGE002
基准
前馈输出值为：
VF-i=Ki
Figure 859809DEST_PATH_IMAGE003
其中，Ki为第i段热流曲线的前馈系数，Ci为第i段热流曲线的控制输出比例系数，Vout为控制系统的实时控制输出值，
Figure 665960DEST_PATH_IMAGE003
为第i段热流曲线的热流基准值，i为第i段热流曲线，n为热流曲线总段数，
Figure 401835DEST_PATH_IMAGE004
基准为控制输出比例系数的基准值，VF-i为第i段热流曲线的前馈输出值；
S300、根据前馈输出值计算出每段热流曲线的控制输出值：
Vout-i=（aVPID+bVF-i）
Figure 335156DEST_PATH_IMAGE005
2
其中，Vout-i为第i段热流曲线的控制输出值，VPID为PID输出值，VF-i为第i段热流曲线的前馈输出值，a为PID控制的权重系数，b为前馈控制的权重系数，且a+b=1；
S400、控制系统根据每段热流曲线的控制输出值进行热强度试验。
本申请的热强度试验系统控制方法，首先获取现有的热强度试验数据，分析热强度试验的热流曲线，通过将历史热强度实验数据的热流曲线分成多段，计算出每段热流曲线的热流基准值。在本申请的一个实施方式中，优选将热流曲线按照时间均匀分成5-10段，每段热流曲线的热流基准值为该段热流曲线的各热流峰值的均值，或者每段热流曲线的热流基准值为该段热流曲线的各热流峰值中的最大值。
本申请的热强度试验系统控制方法，通过将历史热强度实验数据的热流曲线分成多段，从而形成多个前馈输出值，前馈输出值与试验热流峰值存在一定的正相关关系，对整个加热曲线采用一个热流峰值进行前馈输出值的计算时，对于加热前期，存在过度依赖前馈输出值，热流控制有可能失真，为提高控制精度，每个加热时间段采用不同的前馈输出值，叠加对应时间段的PID控制，提高误差容限，使得控制更为精准。
本申请的热强度试验系统控制方法，通过确定控制输出比例系数的基准值C基准，再计算出第i段热流曲线的控制输出比例系数Ci，通过公式计算出每段热流曲线的前馈系数，从而得到每段热流曲线的前馈输出值。在本申请的优选实施方案中，控制输出比例系数的基准值C基准取自65%-66%中的任一值。本实施例中，控制输出比例系数的基准值C基准优选为65%，使得每段热流曲线的前馈输出值占控制系统的总控制输出值的55%-75%。本申请中随着热流控制时间的增加，控制输出比例系数Ci逐渐增大，使得前馈输出值不断增大，控制系统的控制输出值中前馈控制的占比不断增加，能够降低随着时间的增加PID控制出现误差的概率增大带来的影响。
本申请的热强度试验系统控制方法，每段热流曲线的控制输出值根据下式求出：
Vout-i=（aVPID+bVF-i）
Figure 738455DEST_PATH_IMAGE005
2
在本申请的一个实施方式中，PID控制的权重系数a=0.5，前馈控制的权重系数b=0.5，即在控制系统中，每段热流曲线的控制输出值等于PID输出值与该段前馈输出值的加和，即控制系统的控制输出值Vout-i =VPID+VF-i，其中，VPID为PID输出值，VF-i为第i段热流曲线的前馈输出值，VF-i=Ki
Figure 466240DEST_PATH_IMAGE003
，Ki为第i段热流曲线的前馈系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为第i段热流曲线的热流基准值。控制系统的前馈校正环节如图2中的F(s)，理论情况下，当比例前馈系数合适时，可以最大程度消除稳态误差，保证控制精度。
在本申请的另一个实施方式中，PID控制的权重系数a=0.5s，前馈控制的权重系数b=1-0.5s，s为PID控制器的延迟系数，其中，0.9≤s≤1.1。s值的大小表征PID控制器的延迟特性，当PID控制器的延迟较大时，s取小值，减小PID控制的权重系数，当PID控制器的延迟较小时，s取大值，增大PID控制的权重系数。试验中，根据实际应用的PID控制器的延迟特性合理选取s值，有利于提高控制系统的控制精度。
在本申请的优选实施方案中，参见图3，步骤四中，控制系统根据每段热流曲线的控制输出值进行热强度试验包括：
S401、制作与试验件外形相同的模拟件，控制系统根据每段热流曲线的控制输出值对模拟件进行模拟热强度试验；
S402、获取模拟热强度实验的热流曲线，重复步骤一至步骤三，获取根据模拟热强度实验的热流曲线重新计算出每段热流曲线的控制输出值；
在本申请的一个实施方式中，S402具体包括：
S4021、获取模拟热强度实验的热流曲线，将模拟热强度实验的热流曲线分成多段，获取每段热流曲线中的各热流峰值中的最大值；
S4022、确定前馈系数，并根据前馈系数计算每段热流曲线的前馈输出值，前馈输出值等于前馈系数与热流基准值的乘积；
S4023、根据前馈输出值计算出每段热流曲线的控制输出值，控制输出值等于PID输出值与前馈输出值的加和；
S403、控制系统根据S4023中计算出的每段热流曲线的控制输出值对试验件进行正式热强度试验。
本实施例中，控制系统根据每段热流曲线的控制输出值对模拟件先进行一次模拟热强度试验，对前馈系数进行修正，通过记录模拟热强度试验的误差数值，来分析判断预估的前馈系数的值是否合适，根据模拟加热结果调整比例前馈系数K，得到较为准确的前馈输出值，并根据前馈输出值计算出每段热流曲线的控制输出值，实现对试验件的热强度试验。
本申请的热强度试验系统控制方法，通过合理确定前馈系数、PID输出以及前馈控制输出的权重，实现前馈热流补偿控制，能够有效提高热流控制系统的响应速度和控制精度，可以实现对于急升温热流条件的精确控制。本申请首次利用比例前馈热流补偿控制实现了大温升、高热流加热控制，提升了控制精度，该方法物理概念明晰、操作方法简单、具有很高的工程应用价值。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种热强度试验系统控制方法，其特征在于，包括：
步骤一、获取热强度实验的热流曲线，将所述热流曲线分成多段，获取每段热流曲线中的各热流峰值，并根据各热流峰值计算每段热流曲线的热流基准值；
步骤二、确定前馈系数，并根据前馈系数计算每段热流曲线的前馈输出值，前馈输出值等于前馈系数与热流基准值的乘积；
前馈系数为：
Ki=
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Ci =
Figure DEST_PATH_IMAGE002
基准
前馈输出值为：
VF-i=Ki
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中，Ki为第i段热流曲线的前馈系数，Ci为第i段热流曲线的控制输出比例系数，Vout为控制系统的实时控制输出值，
Figure 434185DEST_PATH_IMAGE003
为第i段热流曲线的热流基准值，i为第i段热流曲线，n为热流曲线总段数，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
基准为控制输出比例系数的基准值，VF-i为第i段热流曲线的前馈输出值；
步骤三、根据前馈输出值计算出每段热流曲线的控制输出值：
Vout-i=（aVPID+bVF-i）
Figure DEST_PATH_IMAGE005
2
其中，Vout-i为第i段热流曲线的控制输出值，VPID为PID输出值，VF-i为第i段热流曲线的前馈输出值，a为PID控制的权重系数，b为前馈控制的权重系数，且a+b=1；
步骤四、控制系统根据每段热流曲线的控制输出值进行热强度试验。
2.根据权利要求1所述的热强度试验系统控制方法，其特征在于，步骤一中，将所述热流曲线分成5-10段。
3.根据权利要求2所述的热强度试验系统控制方法，其特征在于，每段热流曲线的所述热流基准值为该段热流曲线的各热流峰值的均值。
4.根据权利要求2所述的热强度试验系统控制方法，其特征在于，每段热流曲线的所述热流基准值为该段热流曲线的各热流峰值中的最大值。
5.根据权利要求1所述的热强度试验系统控制方法，其特征在于，步骤二中，所述控制输出比例系数的基准值C基准取自65%-66%中的任一值。
6.根据权利要求5所述的热强度试验系统控制方法，其特征在于，步骤二中，所述控制输出比例系数的基准值C基准为65%。
7.根据权利要求5或6所述的热强度试验系统控制方法，其特征在于，步骤三中，所述PID控制的权重系数a=0.5，所述前馈控制的权重系数b=0.5。
8.根据权利要求5或6所述的热强度试验系统控制方法，其特征在于，步骤三中，所述PID控制的权重系数a=0.5s，所述前馈控制的权重系数b=1-0.5s，s为PID控制器的延迟系数。
9.根据权利要求1所述的热强度试验系统控制方法，其特征在于，步骤四中，所述控制系统根据每段热流曲线的控制输出值进行热强度试验包括：
S401、制作与试验件外形相同的模拟件，控制系统根据每段热流曲线的控制输出值对所述模拟件进行模拟热强度试验；
S402、获取模拟热强度实验的热流曲线，重复步骤一至步骤三，获取根据模拟热强度实验的热流曲线重新计算出每段热流曲线的控制输出值；
S403、控制系统根据S402中每段热流曲线的控制输出值对试验件进行正式热强度试验。
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