石墨加热元件及其加热控制方法研究

石墨加热元件及其加热控制方法研究
石墨加热元件及其加热控制方法研究
石墨加热元件大有作为 随着高超声速飞行器、天地往返运输系统以及新一代高马赫数导弹武器系统的发展,飞行器面临的热环境愈加恶劣。传统石英灯加热元件因其结构和材料特性的局限性已经不能满足这种高温、高热流的热试验需求。以石墨材料为发热体的石墨加热元件,因其具有加热率高等特性,被广泛应用于风洞、冶金、核工业等领域。然而,石墨加热元件在国内航天飞行器热试验领域的应用尚属起步阶段,其加热特性及其加热控制方法等设计、使用中的问题还有待解决。

因此,对石墨加热元件进行几何结构和装配形式等方面的优化,并改进其使用过程中的加热控制方法显得十分必要。本文通过对热试验的概念、原理及方法等方面的研究,结合仿真和实验方法,设计并优化了一种高加热率石墨加热元件,并对其时间常数、结构装配形式合理性、大气环境使用寿命、抗氧化涂层有效性及加热均匀性等性能进行了实验研究。受加热元件装配形式的影响,加热元件在使用过程中会发生破坏现象,本文使用热应力理论,结合有限元分析方法对加热元件的热应力场进行了仿真分析,提出了一种有效的减小加热元件热应力的装配形式。石墨加热元件构成的热试验加热控制系统具有大惯性、非线性、时变等特点,实际使用经验表明,传统PID控制方法对这种加热控制系统进行控制,容易出现“过控制”和“欠控制”的现象。

本文对传统PID控制原理和模糊控制原理进行了系统性研究,考虑到两种控制原理的特点,提出了一种PID控制参数自适应整定的模糊-PID控制方法。针对加热控制系统热惯性大的特点,本文提出了一种对计算机输出DA值进行超前限幅的控制策略。为了验证控制方法的有效性,本文在使用最小二乘法对加热控制系统进行数学模型辨识的基础上,通过MATLAB软件对加热控制系统搭建了PID控制、模糊-PID控制的仿真程序,并进行了仿真实验。实验结果表明,与传统PID控制方法相比,模糊-PID控制可以有效减小控制曲线的超调量,提高了加热控制系统的控制质量。本文使用LabVIEW软件以及加热控制相关硬件系统,对PID控制方法、模糊-PID控制方法和带有超前限幅控制策略的模糊-PID控制方法进行了实验研究。

实验结果表明,与PID控制方法相比,模糊-PID控制方法的控制曲线可以更好的跟随设定曲线,控制曲线最大超调量由10kW/m2减小至4.8kW/m2,然而,控制曲线仍然存在严重的振荡现象。采用了超前限幅控制策略的模糊-PID控制方法的控制曲线跟随性更好,控制曲线的超调量小于1kW/m2。超前限幅控制策略明显改善了控制系统的响应时间、超调量、稳态性能等,提升了控制品质。