石墨加熱元件及其加熱控制方法研究

石墨加熱元件及其加熱控制方法研究
石墨加熱元件及其加熱控制方法研究
石墨加熱元件大有作為 隨著高超聲速飛行器、天地往返運輸系統(tǒng)以及新一代高馬赫數(shù)導彈武器系統(tǒng)的發(fā)展,飛行器面臨的熱環(huán)境愈加惡劣。傳統(tǒng)石英燈加熱元件因其結(jié)構(gòu)和材料特性的局限性已經(jīng)不能滿足這種高溫、高熱流的熱試驗需求。以石墨材料為發(fā)熱體的石墨加熱元件,因其具有加熱率高等特性,被廣泛應用于風洞、冶金、核工業(yè)等領域。然而,石墨加熱元件在國內(nèi)航天飛行器熱試驗領域的應用尚屬起步階段,其加熱特性及其加熱控制方法等設計、使用中的問題還有待解決。

因此,對石墨加熱元件進行幾何結(jié)構(gòu)和裝配形式等方面的優(yōu)化,并改進其使用過程中的加熱控制方法顯得十分必要。本文通過對熱試驗的概念、原理及方法等方面的研究,結(jié)合仿真和實驗方法,設計并優(yōu)化了一種高加熱率石墨加熱元件,并對其時間常數(shù)、結(jié)構(gòu)裝配形式合理性、大氣環(huán)境使用壽命、抗氧化涂層有效性及加熱均勻性等性能進行了實驗研究。受加熱元件裝配形式的影響,加熱元件在使用過程中會發(fā)生破壞現(xiàn)象,本文使用熱應力理論,結(jié)合有限元分析方法對加熱元件的熱應力場進行了仿真分析,提出了一種有效的減小加熱元件熱應力的裝配形式。石墨加熱元件構(gòu)成的熱試驗加熱控制系統(tǒng)具有大慣性、非線性、時變等特點,實際使用經(jīng)驗表明,傳統(tǒng)PID控制方法對這種加熱控制系統(tǒng)進行控制,容易出現(xiàn)“過控制”和“欠控制”的現(xiàn)象。

本文對傳統(tǒng)PID控制原理和模糊控制原理進行了系統(tǒng)性研究,考慮到兩種控制原理的特點,提出了一種PID控制參數(shù)自適應整定的模糊-PID控制方法。針對加熱控制系統(tǒng)熱慣性大的特點,本文提出了一種對計算機輸出DA值進行超前限幅的控制策略。為了驗證控制方法的有效性,本文在使用最小二乘法對加熱控制系統(tǒng)進行數(shù)學模型辨識的基礎上,通過MATLAB軟件對加熱控制系統(tǒng)搭建了PID控制、模糊-PID控制的仿真程序,并進行了仿真實驗。實驗結(jié)果表明,與傳統(tǒng)PID控制方法相比,模糊-PID控制可以有效減小控制曲線的超調(diào)量,提高了加熱控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。本文使用LabVIEW軟件以及加熱控制相關硬件系統(tǒng),對PID控制方法、模糊-PID控制方法和帶有超前限幅控制策略的模糊-PID控制方法進行了實驗研究。

實驗結(jié)果表明,與PID控制方法相比,模糊-PID控制方法的控制曲線可以更好的跟隨設定曲線,控制曲線最大超調(diào)量由10kW/m2減小至4.8kW/m2,然而,控制曲線仍然存在嚴重的振蕩現(xiàn)象。采用了超前限幅控制策略的模糊-PID控制方法的控制曲線跟隨性更好,控制曲線的超調(diào)量小于1kW/m2。超前限幅控制策略明顯改善了控制系統(tǒng)的響應時間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)性能等,提升了控制品質(zhì)。