本發(fā)明涉及一種超高溫石英燈紅外輻射式氣動(dòng)熱環(huán)境實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái),屬于航天航空氣動(dòng)熱實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
1、隨著飛行器設(shè)計(jì)飛行速度的大幅度提高,由氣動(dòng)加熱產(chǎn)生的高溫?zé)岘h(huán)境變得越來(lái)越嚴(yán)酷。由氣動(dòng)熱產(chǎn)生的高溫,會(huì)降低材料的強(qiáng)度極限和飛行器結(jié)構(gòu)的承載能力,是飛行器材料產(chǎn)生熱變形,破壞部件的氣動(dòng)外形并影響安全飛行。為確保高速飛行器的安全,確認(rèn)飛行器材料是否能經(jīng)得起高速飛行時(shí)所產(chǎn)生的熱沖擊及高溫?zé)釕?yīng)力破壞,必須對(duì)高速飛行器所使用材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)的氣動(dòng)熱模擬實(shí)驗(yàn)。
2、同時(shí)隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展,航天器材料研究成為其中的關(guān)鍵技術(shù)之一。航天器在穿越大氣層內(nèi)高速飛行時(shí),表面溫度的變化可達(dá)每秒數(shù)十度甚至上百度。整個(gè)飛行過(guò)程中表面溫度場(chǎng)和熱流場(chǎng)的變化十分劇烈。處于受熱飛行狀態(tài)下的航天器還可能做突然加速、爬升、轉(zhuǎn)向、變軌等高度機(jī)動(dòng)工作,使得材料和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與溫度、熱流、載荷及時(shí)間的關(guān)系變得十分復(fù)雜。為了準(zhǔn)確模擬航天器結(jié)構(gòu)在高速飛行時(shí)的氣動(dòng)熱過(guò)程,必須對(duì)航天器所使用材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行地面靜、動(dòng)態(tài)的氣動(dòng)熱模擬實(shí)驗(yàn)。
3、石英燈輻射加熱器的熱慣性小,電控性能優(yōu)良,非常適合于高速變化的瞬態(tài)氣動(dòng)加熱模擬。同時(shí),石英燈輻射加熱器還具有發(fā)熱功率大,體積小,可組成不同尺寸和形狀加熱裝置的優(yōu)點(diǎn);對(duì)于外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)件,具有較好的適應(yīng)能力,是氣動(dòng)加熱模擬實(shí)驗(yàn)理想的輻射加熱源。
4、石英燈紅外輻射式加熱是航空航天領(lǐng)域防熱試驗(yàn)的重要手段,該試驗(yàn)對(duì)于一定流場(chǎng)中熱流和溫度的跟蹤要求快速,精確,這樣試驗(yàn)才具有可參考意義。傳統(tǒng)方案很難構(gòu)建一個(gè)智能,快速的試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的要求,具有以下局限性。
5、1、不能實(shí)現(xiàn)溫度和熱流的快速跟蹤,具有時(shí)滯性,達(dá)不到一定時(shí)間內(nèi)的溫升斜率,滿足不了特定熱防護(hù)試驗(yàn)的熱結(jié)構(gòu)考核需求;
6、2、跟蹤精度不準(zhǔn)確,超調(diào)量大,吻合度差,造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考意義不大。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供了基于plc技術(shù)的防熱結(jié)構(gòu)隔熱性能實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái),通過(guò)熱電偶采集被試件表面溫度作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的被控量,采用前饋+反饋復(fù)合控制策略實(shí)現(xiàn)了升溫速率非線性熱環(huán)境的準(zhǔn)確追蹤,本發(fā)明能夠?yàn)闃?gòu)建更高功率,更大尺寸石英燈輻射加熱試驗(yàn)平臺(tái)提供了研發(fā)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),對(duì)航空航天領(lǐng)域的氣動(dòng)熱防護(hù)試驗(yàn)具有重要意義。
2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
3、基于plc技術(shù)的防熱結(jié)構(gòu)隔熱性能實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái),包括:遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)、本地控制臺(tái)、交換機(jī)、cpu模塊、溫度采集模塊、直流電源功率控制器、溫度隔離器和熱電偶;
4、所述遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和本地控制臺(tái)與交換機(jī)相連,交換機(jī)與cpu模塊和溫度采集模塊相連,所述cpu模塊與直流電源功率控制器相連,所述溫度采集模塊與溫度隔離器相連,所述溫度隔離器與熱電偶相連;
5、熱電偶用于采集防熱材料被試件的表面溫度,并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)傳遞給溫度隔離器;
6、溫度隔離器用于將熱電偶發(fā)送的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,將數(shù)字量作為反饋被控量通過(guò)溫度采集模塊傳遞給cpu模塊;
7、cpu模塊接收溫度采集模塊轉(zhuǎn)發(fā)的反饋被控量,并通過(guò)交換機(jī)接收遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)或本地控制臺(tái)的設(shè)定溫度數(shù)據(jù)作為給定值,cpu模塊根據(jù)給定值和反饋被控量,計(jì)算出直流電源需要輸出的功率值并輸出給直流電源功率控制器;
8、直流電源功率控制器將cpu模塊發(fā)送的直流電源需要輸出的功率值轉(zhuǎn)換成晶閘管觸發(fā)脈沖信號(hào),發(fā)送給外部晶閘管直流電源,通過(guò)調(diào)節(jié)外部晶閘管直流電源輸出功率的大小,從而改變防熱材料被試件所處實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度。
9、優(yōu)選地,遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和本地控制臺(tái)均為工業(yè)計(jì)算機(jī),內(nèi)部安裝wincc監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集軟件;遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和本地控制臺(tái)通過(guò)wincc監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集軟件的可視化窗口將設(shè)定溫度數(shù)據(jù)生成曲線和記錄表格。
10、優(yōu)選地,溫度隔離器為熱電偶信號(hào)隔離器。
11、優(yōu)選地,溫度隔離器選用天拓四方公司的ts5751。
12、優(yōu)選地,cpu模塊通過(guò)rs485接口,采用modbus通訊協(xié)議將直流電源需要輸出的功率值下發(fā)給直流電源功率控制器。
13、優(yōu)選地,cpu模塊選用由西門子公司s7-1500系列plc的cpu模塊。
14、優(yōu)選地,交換機(jī)采用工業(yè)以太網(wǎng)與cpu模塊相連接。
15、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
16、1)本發(fā)明cpu模塊根據(jù)給定值和反饋被控量,計(jì)算出直流電源需要輸出的功率值,能夠?qū)崿F(xiàn)升溫速率非線性熱環(huán)境的準(zhǔn)確追蹤,為高溫、高熱流、高沖擊率的熱強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)提供了必要的實(shí)驗(yàn)條件。
17、2)本發(fā)明cpu模塊通過(guò)備板總線與溫度采集模塊相連接,采用工業(yè)通信總線技術(shù),減少了信號(hào)電量轉(zhuǎn)換次數(shù),極大程度減少了信號(hào)的失真和線路干擾,能夠提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
1.基于plc技術(shù)的防熱結(jié)構(gòu)隔熱性能實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái),其特征在于,包括:遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)(1)、本地控制臺(tái)(2)、交換機(jī)(3)、cpu模塊(4)、溫度采集模塊(5)、直流電源功率控制器(6)、溫度隔離器(7)和熱電偶(8);
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于plc技術(shù)的防熱結(jié)構(gòu)隔熱性能實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái),其特征在于,遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)(1)和本地控制臺(tái)(2)均為工業(yè)計(jì)算機(jī),內(nèi)部安裝wincc監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集軟件;遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)(1)和本地控制臺(tái)(2)通過(guò)wincc監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集軟件的可視化窗口將設(shè)定溫度數(shù)據(jù)生成曲線和記錄表格。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于plc技術(shù)的防熱結(jié)構(gòu)隔熱性能實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái),其特征在于,溫度隔離器(7)為熱電偶信號(hào)隔離器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于plc技術(shù)的防熱結(jié)構(gòu)隔熱性能實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái),其特征在于,溫度隔離器(7)選用天拓四方公司的ts5751。
5.根據(jù)權(quán)利要求1~4任意之一所述的基于plc技術(shù)的防熱結(jié)構(gòu)隔熱性能實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái),其特征在于,cpu模塊(4)通過(guò)rs485接口,采用modbus通訊協(xié)議將直流電源需要輸出的功率值下發(fā)給直流電源功率控制器(6)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于plc技術(shù)的防熱結(jié)構(gòu)隔熱性能實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái),其特征在于,cpu模塊(4)選用由西門子公司s7-1500系列plc的cpu模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于plc技術(shù)的防熱結(jié)構(gòu)隔熱性能實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái),其特征在于,交換機(jī)(3)采用工業(yè)以太網(wǎng)與cpu模塊(4)相連接。