本發(fā)明屬于結(jié)冰試驗，具體涉及一種用于結(jié)冰試驗多功能加熱測溫系統(tǒng)及其工作方法。

背景技術(shù)：

1、飛機(jī)機(jī)翼等關(guān)鍵部位結(jié)冰會導(dǎo)致其平整度、外形以及氣動布局發(fā)生改變，從而造成飛機(jī)升阻比下降、升力系數(shù)降低、阻力增加，嚴(yán)重危害飛行安全。為了研究機(jī)翼結(jié)冰與防除冰的規(guī)律，飛機(jī)模型必須在風(fēng)洞內(nèi)或外場進(jìn)行結(jié)冰與防除冰試驗，為航空、航天、鐵路運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的發(fā)展提供了必要的保障。結(jié)冰與防除冰試驗技術(shù)主要包括熱氣防除冰技術(shù)和電加熱防除冰技術(shù)，熱氣防冰技術(shù)通過發(fā)動機(jī)引出的熱氣加熱機(jī)翼前緣以防止結(jié)冰，但是熱氣防除冰技術(shù)能耗高、效率低，能量在系統(tǒng)管路中發(fā)生損耗；熱氣防除冰系統(tǒng)復(fù)雜，包括復(fù)雜的管路、閥門、防冰腔等結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2、隨著復(fù)合材料在機(jī)翼上的使用，電加熱防除冰技術(shù)也成為研究的熱門課題。電加熱防除冰技術(shù)通常由電源、功率控制系統(tǒng)、控制面板以及布置在機(jī)翼中的加熱元件等部分組成。其工作原理為：控制面板和功率控制系統(tǒng)控制電源的輸出，功率控制系統(tǒng)根據(jù)控制面板上的開關(guān)信號、功率值信號以及加熱元件的溫度反饋信號，控制加熱時間和加熱功率，從而將電能轉(zhuǎn)化為熱能，阻止機(jī)翼前緣結(jié)冰。電源是功率輸出的主要元器件；控制面板輸入和顯示功率值、溫度值、開關(guān)信號；功率控制系統(tǒng)根據(jù)控制面板的輸入和加熱元件的溫度反饋信號進(jìn)行開環(huán)/閉環(huán)控制電源的功率輸出；加熱元件將電能轉(zhuǎn)換為熱能。

3、傳統(tǒng)的電加熱防除冰系統(tǒng)復(fù)雜，電源、功率控制系統(tǒng)尺寸較大，在進(jìn)行外場結(jié)冰試驗時運(yùn)輸困難，且電源輸入為三相380v，系統(tǒng)搭建困難；電源輸出設(shè)計為交流輸出，對其他弱信號采集產(chǎn)生干擾；功率控制系統(tǒng)控制方案設(shè)計單一，只能使用電壓控制方式，未考慮線阻隨溫度變化產(chǎn)生的影響；電加熱功率控制單元和溫度測量單元是兩個獨立的系統(tǒng)，在進(jìn)行加熱測溫試驗中需要準(zhǔn)備的系統(tǒng)較多，控制面板的操作比較繁瑣和復(fù)雜，在結(jié)冰與防除冰試驗過程中，使用傳統(tǒng)的電加熱防除冰系統(tǒng)會導(dǎo)致試驗參數(shù)產(chǎn)生誤差，試驗準(zhǔn)備和試驗過程效率較低。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的問題是將功率控制和溫度測量集成到一個可聯(lián)機(jī)或單機(jī)使用的系統(tǒng)中，提出一種用于結(jié)冰試驗多功能加熱測溫系統(tǒng)及其工作方法。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種用于結(jié)冰試驗多功能加熱測溫系統(tǒng)，包括遠(yuǎn)程控制面板、采集控制單元、功率控制單元和模型熱電偶，所述遠(yuǎn)程控制面板通過網(wǎng)線連接采集控制單元，所述采集控制單元通過線纜ⅲ連接功率控制單元，所述功率控制單元通過線纜ⅰ連接模型熱電偶，所述模型熱電偶通過線纜ⅱ連接采集控制單元；

4、所述功率控制單元包括輸入通道、輸出通道、殼體、網(wǎng)絡(luò)接口、可編程電源模塊、電源輸入通道和功率輸出通道，所述功率控制單元和電源連接；

5、所述功率控制單元的殼體上設(shè)置有輸入通道、輸出通道，所述殼體內(nèi)設(shè)置有可編程電源模塊，所述可編程電源模塊上設(shè)置有網(wǎng)絡(luò)接口、電源輸入通道和功率輸出通道，電源通過輸入通道和電源輸入通道連接，模型熱電偶通過輸出通道和功率輸出通道連接；

6、所述采集控制單元的外殼后側(cè)面設(shè)置有hdmi接口、usb接口、第二網(wǎng)絡(luò)接口、第二功率輸出通道、溫度輸入通道、電源接口，所述采集控制單元的外殼前側(cè)面設(shè)置有總電源開關(guān)、啟動/停止旋鈕、本地/遠(yuǎn)程旋鈕、功率/溫度旋鈕、溫度調(diào)節(jié)旋鈕、功率調(diào)節(jié)旋鈕和顯示屏幕，所述采集控制單元的外殼內(nèi)設(shè)置有網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、微型控制器、溫度采集模塊、模擬量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換卡；所述采集控制單元的電源接口連接電源，所述溫度輸入通道連接模型熱電偶，所述第二功率輸出通道連接功率控制單元；

7、所述采集控制單元中的總電源開關(guān)、啟動/停止旋鈕、本地/遠(yuǎn)程旋鈕、功率/溫度旋鈕和數(shù)字量輸入輸出模塊連接，功率調(diào)節(jié)旋鈕和數(shù)模轉(zhuǎn)換卡連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和模擬量輸入輸出模塊連接，數(shù)字量輸入輸出模塊和模擬量輸入輸出模塊和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)分別和第二網(wǎng)絡(luò)接口、溫度采集模塊、微型控制器連接，所述微型控制器和hdmi接口、usb接口、顯示屏幕連接。

8、進(jìn)一步的，所述功率控制單元的殼體上還設(shè)置有散熱風(fēng)扇。

9、進(jìn)一步的，所述采集控制單元的外殼后側(cè)面還設(shè)置有第二散熱風(fēng)扇。

10、一種用于結(jié)冰試驗多功能加熱測溫系統(tǒng)的工作方法，依托于所述的一種用于結(jié)冰試驗多功能加熱測溫系統(tǒng)實現(xiàn)，電源交流輸入，經(jīng)過微型控制器處理直流輸出，通過調(diào)節(jié)電壓、調(diào)節(jié)電流和調(diào)節(jié)功率三種方式實現(xiàn)對加熱元件的加熱，采用電壓控制方式和功率控制方式實現(xiàn)溫度開環(huán)控制，結(jié)合溫度設(shè)定值和溫度傳感器測量到的溫度反饋值實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制，包括如下步驟：

11、s1.?使用模型熱電偶實現(xiàn)溫度采集，模型熱電偶的熱端與模型的測溫點接觸，在模型熱電偶的兩端產(chǎn)生微電壓信號；

12、s2.?模型熱電偶的冷端連接溫度采集模塊，模型熱電偶的微電壓信號由溫度采集模塊接收，溫度采集模塊通過冷端補(bǔ)償器法處理后通過模擬量轉(zhuǎn)換得到實際溫度值；

13、s3.?模型熱電偶測量得到的溫度實際值，作為反饋值反饋給采集控制單元的微型控制器，微型控制器根據(jù)熱電偶反饋的溫度值與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，通過pid算法計算輸出控制信號，可編程電源模塊根據(jù)控制信號調(diào)節(jié)實際功率輸出，以調(diào)節(jié)溫度，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)溫度收斂到設(shè)定值，達(dá)到溫度閉環(huán)控制；

14、；

15、其中，為采樣序號，是第 k次的溫度給定值，是第 k次的實際溫度輸出值，是第 k次的輸出控制變量，是第 k次的溫度偏差，是第 k-1次的溫度偏差，是pid控制算法的比例系數(shù)，是積分時間常數(shù)，是微分時間常數(shù)， t是采樣周期。

16、進(jìn)一步的，步驟s1中在模型熱電偶的兩端產(chǎn)生微電壓信號的計算公式為：

17、；

18、其中，表示在溫度 t和 t0時的熱電勢，表示溫度 t時的熱電勢，表示溫度 t0時的熱電勢，和分別表示導(dǎo)體 a和導(dǎo)體 b的塞貝克系數(shù)。

19、進(jìn)一步的，步驟s2中溫度采集模塊通過冷端補(bǔ)償器法處理后通過模擬量轉(zhuǎn)換得到實際溫度值的公式為：

20、；

21、公式（3）中表示經(jīng)過冷端補(bǔ)償法后，冷端溫度確定，此時熱電勢為測量端溫度的單值函數(shù)，表示得到熱電勢后經(jīng)過模擬量轉(zhuǎn)換得到測量端的實際溫度。

22、進(jìn)一步的，步驟s3中實際按照一定頻率采出的數(shù)據(jù)，為防止變量的干擾，對原始數(shù)據(jù)首先進(jìn)行濾波處理，濾波采用卡爾曼濾波算法，然后再進(jìn)行均值處理，公式如下所示：

23、；

24、其中，t是數(shù)據(jù)處理之后的溫度值， t i是第 i次采樣下的溫度數(shù)值， n為數(shù)據(jù)采樣總數(shù)。

25、進(jìn)一步的，所述一種用于結(jié)冰試驗多功能加熱測溫系統(tǒng)的使用方式包括聯(lián)機(jī)使用方式、單機(jī)使用方式-溫度采集、單機(jī)使用方式-功率控制。

26、本發(fā)明的有益效果：

27、本發(fā)明所述的一種用于結(jié)冰試驗多功能加熱測溫系統(tǒng)，可以根據(jù)試驗實際需求選擇聯(lián)機(jī)/單機(jī)使用的組合式加熱測溫系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)高精準(zhǔn)度，設(shè)備高度集成化，系統(tǒng)功能多樣化，使用方式多樣性和使用便攜性。功率控制精度達(dá)到±0.1w，溫度±0.5℃，響應(yīng)速度＜50ms；具有本地功率控制方式和溫度閉環(huán)控制方式，具有遠(yuǎn)程功率控制方式和溫度閉環(huán)控制方式；能夠根據(jù)試驗的實際需求，可以選擇聯(lián)機(jī)使用和單機(jī)使用，系統(tǒng)設(shè)備尺寸適中，運(yùn)輸方便，可以選擇風(fēng)洞內(nèi)使用和外場試驗環(huán)境使用。本發(fā)明利用不同功能的電氣模塊組合，通過電氣模塊進(jìn)行信號傳輸，控制軟件進(jìn)行控制和記錄、顯示，提供設(shè)備集成化和功能多樣化，提高測量效率，使用一個系統(tǒng)可以滿足多種試驗需求，提高試驗效率，滿足系統(tǒng)通用性，同時系統(tǒng)便于組裝和攜帶，滿足試驗準(zhǔn)備的便捷性。