本發(fā)明涉及一種超高溫石英燈紅外輻射式氣動熱環(huán)境實(shí)驗(yàn)控制平臺，屬于航天航空氣動熱實(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，由氣動加熱產(chǎn)生的高溫?zé)岘h(huán)境變得越來越嚴(yán)酷。由氣動熱產(chǎn)生的高溫，會降低材料的強(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，必須對高速飛行器所使用材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜、動態(tài)的氣動熱模擬實(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)飛行過程中表面溫度場和熱流場的變化十分劇烈。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)的氣動熱過程，必須對航天器所使用材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行地面靜、動態(tài)的氣動熱模擬實(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)對于一定流場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，通過熱電偶采集被試件表面溫度作為實(shí)驗(yàn)平臺的被控量，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)平臺提供了研發(fā)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對航空航天領(lǐng)域的氣動熱防護(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，包括：遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)、本地控制臺、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)送的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將數(shù)字量作為反饋被控量通過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，并通過交換機(jī)接收遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)或本地控制臺的設(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，發(fā)送給外部晶閘管直流電源，通過調(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)和本地控制臺通過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)，減少了信號電量轉(zhuǎn)換次數(shù)，極大程度減少了信號的失真和線路干擾，能夠提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

技術(shù)特征：

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，其特征在于，包括：遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)(1)、本地控制臺(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，其特征在于，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)(1)和本地控制臺(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(2)通過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，其特征在于，溫度隔離器(7)為熱電偶信號隔離器。

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，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，其特征在于，cpu模塊(4)通過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，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，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。

技術(shù)總結(jié)
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，包括：遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)、本地控制臺、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；所述遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和本地控制臺與交換機(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。本發(fā)明可以應(yīng)用于石英燈氣動環(huán)境下輻射加熱的溫度跟蹤控制，對航空航天氣動熱環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)具有重要意義。

技術(shù)研發(fā)人員：馬建平,徐克峰,李飛,楊力,吳照,周磊,孫鍵雄
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國航天空氣動力技術(shù)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6