張順利，賈二院

(航空工業(yè)飛機強度研究所四室，陜西 西安 710065)

1 引 言

隨著高超聲速飛行器設(shè)計飛行速度大幅度提高，由氣動加熱產(chǎn)生的高溫?zé)岘h(huán)境變得越來越嚴酷。以6個馬赫數(shù)飛行的高超聲速飛行器，其前端天線罩錐部的瞬時熱流密度可超過1.2MW/m2，駐點溫度高達1200℃[1]。

在熱結(jié)構(gòu)強度試驗中，需要對材料表面進行大溫升速率加熱，用來考核其熱學(xué)性能。針對大溫升速率的溫度控制采用常規(guī)的PID控制容易造成超調(diào)量大、溫度控制滯后甚至系統(tǒng)不穩(wěn)定等一系列問題。本文采用PIF復(fù)合控制方法，即PIF閉環(huán)-基于給定溫度的開環(huán)控制，取得了較好的控制效果。

2 系統(tǒng)組成

基于熱結(jié)構(gòu)試驗的需求，采用紅外輻射式瞬態(tài)氣動熱試驗?zāi)M控制系統(tǒng)，動態(tài)地對高超聲速飛行器的熱試驗環(huán)境進行模擬。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由石英燈紅外加熱器、溫度/熱流傳感器、信號調(diào)理器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、控制計算機、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、可控硅調(diào)壓器等部分組成閉環(huán)試驗控制系統(tǒng)。目前，在用的可控硅調(diào)壓器的單臺輸出功率可達600kW，控制輸出電壓可高至400V，這些基本參數(shù)為大溫升率的熱結(jié)構(gòu)試驗順利進行提供了必要條件。

3 控制策略

3.1 PIF復(fù)合控制的理論分析

采用石英燈輻射加熱方式的熱結(jié)構(gòu)試驗應(yīng)用較為廣泛，其溫度控制技術(shù)現(xiàn)已相當(dāng)成熟，采用經(jīng)典的PID控制方法就能獲得滿意的效果。大溫升速率溫度控制要求控制誤差在一定范圍內(nèi)，其要求較高，可針對這種具體情況在PID控制的基礎(chǔ)上進行改進，即采用PIF復(fù)合控制方法，其控制過程如圖2所示。

分析大溫升率加熱器的數(shù)學(xué)模型可知，P=Cs·Vtr。其中，P為加熱器的加熱功率，kW；Cs為大溫升率下加熱器的等效熱容量，J；Vtr為被加熱試件的溫升速率，℃/s，可近似認為大溫升速率與加熱器電流的平方或電壓的平方成線性關(guān)系，即溫升率越高，加熱器所需的功率越大，加熱器電壓也越高[2]。前饋控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 前饋控制器結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)溫升速率Vtr，可計算輸入加熱器功率P。因為有的控制器的輸出不是加熱器的加熱功率P，而是加熱器的輸出電壓uf，需要用函數(shù)f(P)來進行代數(shù)運算，計算出所需要加熱器的加熱電壓作為前饋控制器的輸出電壓uf。

放大控制器直接作用于給定溫度Ttr，等比例輸出一定電壓uk，即uk=K·Ttr。K為無量綱常數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗取0.005～0.008，其可提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，間接地消除外界干擾，提高系統(tǒng)抗干擾能力。直接作用給定溫度結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 直接作用給定溫度結(jié)構(gòu)圖

3.2 PIF復(fù)合控制在MTS上的實現(xiàn)

目前，熱結(jié)構(gòu)試驗采用的控制設(shè)備是MTS-flextest-200控制器。MTS系統(tǒng)軟件Aeropro通過配置溫度傳感器，將其分配給相應(yīng)的硬件采集通道，從而測量試驗現(xiàn)場的熱電偶溫度值。MTS實時采集現(xiàn)場測量點的溫度，選取部分測點作為溫度反饋點，根據(jù)PIF算法，實時計算出每個通道模擬量輸出電壓ua，將其作為可控硅調(diào)壓器的觸發(fā)信號，電源經(jīng)過可控硅整流輸出電壓Ua，使Ua作為執(zhí)行器石英燈的電壓，從而閉環(huán)控制反饋溫度，使其實時跟隨溫度載荷曲線。為了準確地模擬非線性瞬態(tài)熱載荷，基于熱載荷控制的特點，溫度控制首選閉環(huán)控制。

用MTS系統(tǒng)的Aeropro軟件中的“Edit Expression”功能進行比例積分前饋運算，如圖5所示。圖中，“X1”為比例系數(shù)，“C1 Error”為系統(tǒng)當(dāng)前誤差，“2490”表示熱流的滿量程，“10”表示滿量程所對應(yīng)的電壓10V，“C4 Input1”表示該通道的比例輸出電壓。

圖5 比例運算

積分運算如圖6所示，圖中，“C4 Input2”表示該通道的積分累加值大小，“C1 Error”為系統(tǒng)當(dāng)前誤差，“X2”為積分系數(shù)，“X3”表示積分電壓限幅值，通常為8V。

圖6 積分運算

前饋運算如圖7所示，圖中，“C4 Input3”表示該通道的前饋控制輸出值大小，“1024”表示系統(tǒng)采集計算頻率，“X4”表示前饋系數(shù)。

圖7 前饋運算

計算通道輸出電壓如圖8所示，圖中，“C2”表示計算通道比例積分前饋輸出電壓值，“‘C4 Input2’*10/2490”表示積分控制電壓輸出值，“X5”表示“C2”通道電壓限幅值。放大控制器的輸出結(jié)果uk為0.008*“C1 Command”。

圖8 計算通道輸出電壓

4 試驗結(jié)果

利用上述紅外輻射式瞬態(tài)氣動熱試驗?zāi)M控制系統(tǒng)，采用PIF復(fù)合控制方法，對試件進行大溫升率瞬態(tài)非線性加熱，試驗結(jié)果如圖9、表1所示。

圖9 試驗結(jié)果

表1 給定溫度與實際溫度控制部分結(jié)果數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

本文針對熱結(jié)構(gòu)強度試驗中大溫升率溫度控制問題，采用紅外輻射式瞬態(tài)氣動熱試驗?zāi)M控制系統(tǒng)，以MTS控制器為核心，提出一種PIF復(fù)合控制方法，即PIF閉環(huán)-基于給定溫度的開環(huán)控制。熱結(jié)構(gòu)平板試驗結(jié)果表明，本溫控系統(tǒng)可較快地達到穩(wěn)定狀態(tài)。本系統(tǒng)控制方法具有達到穩(wěn)定溫度時間短、穩(wěn)定精度高等特點，響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，具有良好的應(yīng)用前景。