一种飞机太阳辐射试验温度控制系统及控制方法与流程

1.本发明涉及飞机测试技术领域，具体是涉及一种飞机太阳辐射试验温度控制系统及控制方法。


背景技术：

2.在飞机测试工程中对飞机进行气候试验测试是重要一环，其主要目的是评估飞机各系统在各种极端气候环境条件下的有效性且可预估飞机可能承受的风险水平；极端气候环境条件下的飞行试验，其初始阶段是在气候环境实验室内完成，通过高温、低温、湿热、淋雨、降雪、冻雨、积冰和太阳辐射等气候试验，验证飞机的环境适应性；环境适应性是飞机功能、性能指标实现的基础，关系到飞机全寿命周期服役和完成任务的能力；
3.与高温产生的热效应不同，太阳辐射热效应具有方向性，并产生热梯度，其梯度是由于装备不同位置(如迎光面和背光面)吸收太阳光谱能量不同造成的；当装备受到非均匀加热的影响，或太阳辐射导致的加热量级或加热机理不清楚时，太阳辐射试验与高温贮存日循环试验联合进行，在实验室内所模拟的环境即为温度和辐照度的综合环境，需按环境谱逐级匹配调节辐照度和温度。
4.与国内环境模拟系统规模较小的中小型太阳辐射实验室相比，在体量100000m3的气候环境实验室对飞机整机或大型装备进行太阳辐射-高温日循环试验时，循环风量达到280m3/s，347s完成全空间空气置换，实验室超大空间、大滞后的特点造成辐射光源辐照度随着环境谱调节时不同程度的热负荷干扰控制不及时，造成另一个关键控制参数——温度的波动，导致对飞机整机进行太阳辐射-高温日循环试验造成不利影响，导致试验失准的问题。
5.因此，需要一种飞机太阳辐射试验温度控制技术，以满足飞机太阳辐射-高温日循环试验的技术需求。


技术实现要素：

6.本发明解决的技术问题是：提供一种快速响应、温度超调量较小且抗热负荷干扰的飞机太阳辐射试验温度控制系统及控制方法，实现飞机太阳辐射-高温日循环试验中温度的精确控制。
7.本发明的技术方案是：一种飞机太阳辐射试验温度控制系统，包括环境模拟系统、辐照系统；
8.所述辐照系统包括位于实验室内部的辐照光源灯阵、辐照传感器以及与辐照光源灯阵、辐照传感器电性连接的控制柜；
9.所述辐照光源灯阵包括若干组辐照光源，与所述辐照光源对应连接的执行开关；所述辐照光源的辐照运行功率能够通过控制柜调节。
10.本发明还提供了上述飞机太阳辐射试验温度控制系统的控制方法，包括以下步骤：
11.s1、辐照光源灯阵辐照度标定
12.在气候实验室的室温条件下，电性连接辐照光源灯阵、控制柜以及辐照传感器；根据光源辐照度日循环目标谱，逐级调节辐照光源灯阵中单光源开关状态与单光源运行功率，建立每一光源辐照度等级的单光源开关矩阵和单光源运行功率矩阵；辐照度不均匀性不大于10％；
13.s2、辐照光源热负荷计算
14.步骤s1辐照光源灯阵辐照度标定完成后，根据辐照光源灯阵执行单光源开关矩阵和单光源运行功率矩阵的运行结果，计算辐照光源灯阵在每一辐照度等级照射期间的热负荷；
15.s3、基线浸泡与除湿
16.气候实验室的环境模拟系统将室内温度调节至基线环境温度，对飞机整机进行10～20h的浸泡，期间一并对室内空气进行除湿；基线环境温度范围为+21
±
3℃；
17.s4、启动辐照光源日循环
18.按照辐照光源灯阵辐照度标定的单光源开关矩阵、单光源运行功率矩阵的设定参数、以及辐照度日循环试验谱设定参数启动辐照光源灯阵；其中24h为辐照度日循环试验谱的一个循环周期；
19.s5、温度控制
20.按照温度谱的升降温速率要求，设置每小时目标温度；环境模拟系统计算试验区域辐照光源热负荷干扰带来的温度变化值，并输入控制器的温度偏差计算中，环境模拟系统每分钟计算一次目标温度值，抵消热负荷干扰带来的温度变化值后输入环境模拟系统，环境模拟系统进行升温或降温操作。
21.进一步地，在步骤s2中，每个辐照度等级辐照时间为1h；按环境谱在每间隔1h的变化中逐级匹配调节辐照度和温度；其梯度明显，模拟可行性高，便于进行温度控制。
22.进一步地，所述环境模拟系统包括循环风处理段、载冷载热段、送风段、太阳辐射区域以及前馈-pid控制系统；
23.所述循环风处理段包括循环管道、离心风机、风阀以及循环风换热器；
24.前馈-pid控制系统根据公式(1)计算室内每分钟的目标温度值，根据公式(2)计算热负荷干扰引起的温度变化值；
[0025][0026]
其中，tn为当前时刻的室内温度目标值；ti为初始温度；tf为室内最终目标温度；tc为初始温度到室内最终目标温度的调节时间；tk为已调节时间；tn为前馈-pid控制系统的输入，前馈-pid控制系统计算出载冷剂回液阀和旁通阀开度，环境模拟系统自动调节换热器进口的载冷剂温度，从而改变送风温度；
[0027]
t
l
＝q
l
/camfꢀꢀꢀ
(2)
[0028]
其中，t
l
为温度变化值；q
l
为试验区域太阳辐射光源热负荷；ca为当前室内温度下的比热容；mf为单位时间内流过循环风换热器的空气质量。
[0029]
送风温度反馈在循环风处理段的换热器后端，根据下发的目标温度可快速响应，
因此闭合控制回路选择距离调节阀较近、滞后时间较小的送风温度作为被控变量，控制通道短、滞后小、控制及时，可有效提高送风温度的控制精度。
[0030]
进一步地，所述步骤s5中温度谱范围为30～50℃；上述范围能够模拟高温天气状况下的辐照状况，以便于能够准确验证飞机整机耐太阳辐射热效应的能力。
[0031]
进一步地，所述步骤s5中，升降温速率要求为1～3℃/h；气候实验室的温度调节能力可达到6℃/h，升降温速率要求为1～3℃/h相比于气候环境实验室的温度调节能力较小，因此控制过程中需要减小温度控制的超调量，逐渐逼近目标温度值。
[0032]
进一步地，所述步骤s5中，进行温度控制的具体方法：
[0033]
离心风机驱动室内空气及新风系统处理后的干燥空气进行循环，由回风口及新风风阀吸入，进入循环风处理段；载冷载热段通过冷却水或蒸汽将载冷剂降温或加热，而后载冷剂进入换热器与流经循环风处理段的空气进行热交换，处理段的空气温度通过调节换热器的旁通阀、回液阀改变换热器入口载冷剂温度的方式进行处理，经载冷载热段处理后的空气通过送风段，由旋流风口送入气候实验室内；上述方法能够迅速响应、超调量较小；能够有效验证飞机整机耐太阳辐射热效应的能力。
[0034]
进一步地，所述步骤s5在进行升温时将载冷剂一次循环切换为蒸汽板换，前馈-pid控制系统根据输入tn计算结果自动调节二次循环中换热器的旁通阀和回液阀开度；由32℃升温至49℃；按照环境谱的升降温速率要求，将目标温度转化为阶梯式的升温曲线，每分钟计算一次目标温度值作为控制器的输入，使得环境模拟系统迅速响应，有效提升对温度的控制精度。
[0035]
进一步地，所述步骤s5在进行降温时将载冷剂一次循环切换为冷却水板换，前馈-pid控制系统根据输入tn计算结果自动调节二次循环中换热器的旁通阀和回液阀开度；由37℃降温至32℃；有利于提升环境模拟系统的响应速度，有效提升对温度的控制精度。
[0036]
进一步地，光源辐照度日循环目标谱中的辐照强度为0～1120w/m2；辐照强度为零时，模拟的是夜间状况，辐照强度为1120w/m2时，是一天中辐照强度最大值；以便于实现精准模拟自然辐照强度，从而提升飞机整机辐射试验的真实仿真度。
[0037]
本发明的有益效果是：本发明提供的一种飞机太阳辐射试验温度控制系统及控制方法，根据光源辐照度日循环目标谱，逐级调节辐照光源灯阵中单光源开关状态与单光源运行功率，建立每一光源辐照度等级的单光源开关矩阵和单光源运行功率矩阵；降低辐照度的不均匀性；通过计算辐射光源产生的热负荷得到热负荷造成的温度变化值，通过环境模拟系统每分钟计算一次目标温度值，并抵消热负荷干扰带来的温度变化值使环境模拟系统快速响应、温度超调量较小，且能够抗热负荷干扰，实现飞机整机太阳辐射试验中温度、辐照度的精确控制。
附图说明
[0038]
图1是本发明飞机太阳辐射试验温度控制方法的流程图；
[0039]
图2是本发明实施例2的光源辐照度日循环目标谱；
[0040]
图3是本发明实施例2飞机太阳辐射-高温日循环试验环境模拟过程示意图。
具体实施方式
[0041]
实施例1
[0042]
一种飞机太阳辐射试验温度控制系统，包括环境模拟系统、辐照系统；
[0043]
所述辐照系统包括位于实验室内部的辐照光源灯阵、辐照传感器以及与辐照光源灯阵、辐照传感器电性连接的控制柜；
[0044]
所述辐照光源灯阵包括若干组辐照光源，与所述辐照光源对应连接的执行开关；所述辐照光源的辐照运行功率能够通过控制柜调节。
[0045]
其中，环境模拟系统包括循环风处理段、新风机组、载冷载热段、送风段、太阳辐射区域以及前馈-pid控制系统；送风段出风口设置有旋流风口；
[0046]
循环风处理段包括循环管道、离心风机、风阀以及循环风换热器；
[0047]
所述循环风换热器包括蒸汽板换、冷却水板换、旁通阀以及回液阀；
[0048]
需要说明的是，其中，辐照光源、循环管道、辐照传感器、离心风机、风阀、循环风换热器、送风段、载冷载热段、蒸汽板换、冷却水板换均为现有技术产品，且具体的产品型号本领域内技术人员可根据需要进行选择。
[0049]
实施例2
[0050]
如图1所示，根据实施例1的飞机太阳辐射试验温度控制系统的控制方法，包括以下步骤：
[0051]
s1、辐照光源灯阵辐照度标定
[0052]
在气候实验室的室温条件下，电性连接辐照光源灯阵、控制柜以及辐照传感器；根据光源辐照度日循环目标谱，逐级调节辐照光源灯阵中单光源开关状态与单光源运行功率，建立每一光源辐照度等级的单光源开关矩阵和单光源运行功率矩阵；辐照度不均匀性为7％；
[0053]
s2、辐照光源热负荷计算
[0054]
步骤s1辐照光源灯阵辐照度标定完成后，根据辐照光源灯阵执行单光源开关矩阵和单光源运行功率矩阵的运行结果，计算辐照光源灯阵在每一辐照度等级照射期间的热负荷；每个辐照度等级辐照时间为1h；
[0055]
s3、基线浸泡与除湿
[0056]
气候实验室的环境模拟系统将室内温度调节至基线环境温度，对飞机整机进行11h的浸泡，期间一并对室内空气进行除湿；基线环境温度范围为+18℃；
[0057]
s4、启动辐照光源日循环
[0058]
按照辐照光源灯阵辐照度标定的单光源开关矩阵、单光源运行功率矩阵的设定参数、以及辐照度日循环试验谱设定参数启动辐照光源灯阵；其中24h为辐照度日循环试验谱的一个循环周期；
[0059]
s5、温度控制
[0060]
按照温度谱的升降温速率要求，设置每小时目标温度；环境模拟系统计算试验区域辐照光源热负荷干扰带来的温度变化值，并输入控制器的温度偏差计算中，环境模拟系统每分钟计算一次目标温度值，抵消热负荷干扰带来的温度变化值后输入环境模拟系统；
[0061]
然后环境模拟系统进行升温或降温操作：
[0062]
离心风机驱动室内空气及新风系统处理后的干燥空气进行循环，由回风口及新风
风阀吸入，进入循环风处理段；载冷载热段通过冷却水或蒸汽将载冷剂降温或加热，而后载冷剂进入换热器与流经循环风处理段的空气进行热交换，处理段的空气温度通过调节换热器的旁通阀、回液阀改变换热器入口载冷剂温度的方式进行处理，经载冷载热段处理后的空气通过送风段，由旋流风口送入气候实验室内；
[0063]
在进行升温时将载冷剂一次循环切换为蒸汽板换，前馈-pid控制系统根据输入tn计算结果自动调节二次循环中换热器的旁通阀和回液阀开度；由32℃升温至49℃；
[0064]
在进行降温时将载冷剂一次循环切换为冷却水板换，前馈-pid控制系统根据输入tn计算结果自动调节二次循环中换热器的旁通阀和回液阀开度；由37℃降温至32℃。
[0065]
前馈-pid控制系统根据公式(1)计算室内每分钟的目标温度值，根据公式(2)计算热负荷干扰引起的温度变化值；
[0066][0067]
其中，tn为当前时刻的室内温度目标值；ti为初始温度；tf为室内最终目标温度；tc为初始温度到室内最终目标温度的调节时间；tk为已调节时间；tn为前馈-pid控制系统的输入，前馈-pid控制系统计算出载冷剂回液阀和旁通阀开度，环境模拟系统自动调节换热器进口的载冷剂温度，从而改变送风温度；t
l
＝q
l
/camfꢀꢀꢀ
(2)
[0068]
其中，t
l
为温度变化值；q
l
为试验区域太阳辐射光源热负荷；ca为当前室内温度下的比热容；mf为单位时间内流过循环风换热器的空气质量。
[0069]
温度谱范围为30～50℃。
[0070]
升降温速率要求为1℃/h。
[0071]
光源辐照度日循环目标谱中的辐照强度为0～1120w/m2。
[0072]
实施例3
[0073]
根据实施例1的飞机太阳辐射试验温度控制系统的控制方法，包括以下步骤：
[0074]
s1、辐照光源灯阵辐照度标定
[0075]
在气候实验室的室温条件下，首先吊装辐照光源灯阵，电性连接辐照光源灯阵、控制柜以及辐照传感器；并对辐照光源灯阵进行初步调试；根据光源辐照度日循环目标谱，逐级调节辐照光源灯阵中单光源开关状态与单光源运行功率，建立每一光源辐照度等级的单光源开关矩阵和单光源运行功率矩阵；辐照度不均匀性为5％；
[0076]
s2、辐照光源热负荷计算
[0077]
步骤s1辐照光源灯阵辐照度标定完成后，根据辐照光源灯阵执行单光源开关矩阵和单光源运行功率矩阵的运行结果，计算辐照光源灯阵在每一辐照度等级照射期间的热负荷；每个辐照度等级辐照时间为0.5h；
[0078]
s3、基线浸泡与除湿
[0079]
气候实验室的环境模拟系统将室内温度调节至基线环境温度，对飞机整机进行18h的浸泡，期间一并对室内空气进行除湿；基线环境温度范围为+24℃；
[0080]
s4、启动辐照光源日循环
[0081]
按照辐照光源灯阵辐照度标定的单光源开关矩阵、单光源运行功率矩阵的设定参数、以及辐照度日循环试验谱设定参数启动辐照光源灯阵；其中24h为辐照度日循环试验谱
的一个循环周期；
[0082]
s5、温度控制
[0083]
按照温度谱的升降温速率要求，设置每小时目标温度；环境模拟系统计算试验区域辐照光源热负荷干扰带来的温度变化值，并输入控制器的温度偏差计算中，环境模拟系统每分钟计算一次目标温度值，抵消热负荷干扰带来的温度变化值后输入环境模拟系统；
[0084]
然后环境模拟系统进行升温或降温操作：
[0085]
离心风机驱动室内空气及新风系统处理后的干燥空气进行循环，由回风口及新风风阀吸入，进入循环风处理段；载冷载热段通过冷却水或蒸汽将载冷剂降温或加热，而后载冷剂进入换热器与流经循环风处理段的空气进行热交换，处理段的空气温度通过调节换热器的旁通阀、回液阀改变换热器入口载冷剂温度的方式进行处理，经载冷载热段处理后的空气通过送风段，由旋流风口送入气候实验室内；
[0086]
在进行升温时将载冷剂一次循环切换为蒸汽板换，前馈-pid控制系统根据输入tn计算结果自动调节二次循环中换热器的旁通阀和回液阀开度；由32℃升温至49℃；
[0087]
在进行降温时将载冷剂一次循环切换为冷却水板换，前馈-pid控制系统根据输入tn计算结果自动调节二次循环中换热器的旁通阀和回液阀开度；由37℃降温至32℃。
[0088]
前馈-pid控制系统根据公式(1)计算室内每分钟的目标温度值，根据公式(2)计算热负荷干扰引起的温度变化值；
[0089][0090]
其中，tn为当前时刻的室内温度目标值；ti为初始温度；tf为室内最终目标温度；tc为初始温度到室内最终目标温度的调节时间；tk为已调节时间；tn为前馈-pid控制系统的输入，前馈-pid控制系统计算出载冷剂回液阀和旁通阀开度，环境模拟系统自动调节换热器进口的载冷剂温度，从而改变送风温度；
[0091]
t
l
＝q
l
/camfꢀꢀ
(2)
[0092]
其中，t
l
为温度变化值；q
l
为试验区域太阳辐射光源热负荷；ca为当前室内温度下的比热容；mf为单位时间内流过循环风换热器的空气质量。
[0093]
温度谱范围为30～50℃。
[0094]
升降温速率要求为3℃/h。
[0095]
光源辐照度日循环目标谱中的辐照强度为0～1120w/m2。