面向响应迟滞过程的温度补偿控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及试验件的试验与测试方法技术领域，具体地，涉及一种面向响应迟滞 过程的温度补偿控制方法。
【背景技术】
[0002] 在航天产品地面试验工程领域，尤其是深冷环境模拟与气动加热试验过程中，广 泛存在着参试产品温度响应过缓的现象，导致参试产品整体温度难以精确控制，控制信号 易发生跳变等问题。因此，对考虑温度补偿的控制方法需求迫切。例如：在运载火箭燃料 输送管低温振动试验中，通过加注液氮模拟管路深冷环境，根据各测点温度反馈调节液氮 流速。但是，加注初期测点温度响应（表现为温降）缓慢，控制信号很快达到输出上限并维 持一段时间，管路冷透后实测温度（-196Γ)低于液氧（-183Γ)温度，出现过度考核。又 如：在某型高超音速飞行器舱体地面气动热试验中，利用石英等热辐射模拟热载荷，考核舱 内电子仪器工作性能。飞行器外部防热材料、舱体结构及内部绝热层使舱内环境温度响应 远滞后于舱体表面，类似地，石英灯输出功率快速大幅提升，也导致过度考核。
[0003] 在工程应用领域，目前约有95%的航天产品地面试验采用传统的PID控制方法， 该方法的优势在于设计简单、实施方便。对于存在响应迟滞时间较短的试验过程，沿用PID 控制方法虽能实现稳定控制，但是控制精度不高，且易发生过试验，对参试产品造成不必要 的损伤。
[0004] 在控制算法领域，Smithpredictor被认为是处理线性迟滞系统最便捷有效的控 制算法，然而其应用范围仅限于稳定的、迟滞时间较短的过程。与Smithpredictor类似的 控制算法还有Artsteinmodelreduction和finitespectrumassignment(FSA)，但仅适 用于响应变化范围较小的线性过程。近年来，采用优化控制算法实现迟滞过程精确控制引 发学术界广泛关注，然而此类fU空制器的设计过程繁复、运算量大，算法的顺利实施对试 验所用单机的配置要求较高，因此并没有获得广泛工程应用。基于Lyapunov方程的控制方 法能有效实现复杂非线性系统的控制，该控制算法求解极其不易，虽然具备很高的学术价 值，但工程应用价值并不高。
[0005]综上所述，传统的PID控制方法已逐渐不能满足响应迟滞过程的控制要求，现有 的迟滞补偿控制方法（如Smithpredictor，Artsteinmodelreduction，FSA等）仅能实 现部分迟滞过程的控制要求，而优化控制方法、基于Lyapunov方程的控制算法因其复杂的 设计过程与较高的硬件配置要求，难以广泛应用于工程领域。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种面向响应迟滞过程的温度补偿 控制方法。
[0007] 根据本发明的一个方面，提供一种面向响应迟滞过程的温度补偿控制方法，其特 征是，包括如下步骤：
[0008] (1)确定最大载荷作用下产品的迟滞时间，所述迟滞时间通过所述产品的材料、结 构特性及温度进行确定；
[0009] (2)根据所述迟滞时间确定产品的预热/预冷时间；
[0010] (3)将产品的所述迟滞时间和所述预热/预冷时间作差，作为控制输入的延迟时 间，根据后续温度变化预计确定控制律参数；
[0011] (4)根据所述控制律参数确定产品的温度控制。
[0012] 优选地，所述第（1)步中，确定所述迟滞时间过程为：开展多次摸底试验，取响应 迟滞时间的平均值为最终的迟滞时间。
[0013] 优选地，所述第（1)步中，确定所述迟滞时间过程为：利用产品的材料物性方程通 过仿真确定迟滞时间。
[0014] 优选地，所述第（2)步中，如果预热/预冷时间超过预设值，则通过提供激活能缩 短所述预热/预冷时间。
[0015] 优选地，其特征在于，所述第（3)步包括如下小步骤：
[0016] (a)依据产品重点考核部位的温度变化规律建立传热模型；
[0017] (b)根据所述传热模型得到响应温度；
[0018] (c)结合预设的温升/温降速率，确定所述控制律参数。
[0019] 优选地，所述第（a)小步中，采用输入延迟过程的频响函数来描述输入控制信号 与产品温度响应的关系来建立所述传热模型。
[0020] 优选地，所述第（b)小步中，使用频响函数与控制信号的卷积得到所述响应温度。
[0021] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0022] (1)通过优化算法确定控制律参数，从而快速方便地实现温度补偿；
[0023] (2)大幅度提升了试验一次完成的成功率，有效避免了过试验考核；
[0024] (3)适用于各类存在响应延迟的试验与生产过程，对提升过程控制精度，提高试验 与生产质量有积极推动作用。
【附图说明】
[0025] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0026] 图1为温度补偿控制方法的总体框架图；
[0027] 图2为温度补偿控制方法的技术途径图；
[0028] 图3为高音速飞行器地面气动热试验温度控制曲线；
[0029] 图4为舱段地面气动热试验温度控制曲线；
[0030] 图5为CZ-5循环预冷管路焊缝处温度曲线；
[0031] 图6为不同输入延迟时间下的闭环控制图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0033] 所谓"面向响应迟滞过程的温度补偿控制方法"，是指针对存在反馈信号（如温 度）延迟响应的试验过程，采取参试件预热或基于参试件状态预计的控制方法，实现温度 补偿，保证较高的参试件温度控制精度。应用该控制方法能有效避免系统响应迟滞引发的 过试验现象，提升试验与测试质量。
[0034] 本发明应用于运载火箭管路低温振动试验与某型号超音速飞行器舱体地面气动 热试验的温度控制过程中。采用低比例加载辨识出试验过程响应延迟时间常数，并以此作 为确定参试产品预热/预冷时间的判据，基于试验过程的频响函数对后续参试产品温度的 变化规律做出预计，通过优化算法确定控制律参数，从而快速方便地实现温度补偿。
[0035] 针对存在温度响应迟滞的试验过程，本发明用于解决参试产品温度控制精度不 高、控制信号发生突变引发的过试验等严重制约试验完成质量的工程问题。采用预热/预 冷调试方法结合基于后续温度变化预计的控制算法，快速便捷地实现了响应迟滞过程的温 度精确控制，大幅度提升了试验一次完成的成功率，有效避免了过试验考核。
[0036] 参见附图1，本发明的基本思想是，参试产品状态变量（温度）响应存在延迟与迟 滞时间过长是导致现有PID控制方法及其他延时补偿控制方法难以实现精确过程控制的 主要原因。因此，可通过对参试产品进行预热/预冷处理，其特征在于减少试验过程中的响 应迟滞时间，再将存在较短响应迟滞的过程转化为存在较短控制信号输入延迟的过程，其 特征在于该等效过程将极大便利控制算法的设计与实施。
[0037] 参见附图2,实现温度补偿控制方法的技术途径，其实施步骤包括：①辨识响应迟 滞时间；②确定预热/预冷处理时间；③将响应迟滞过程转化为控制输入延迟过程，根据后 续温度变化预计确定控制律参数。
[0038] 所述步骤①需确定产品温度响应迟滞时间