一种用于高空环境模拟试验的空气供应系统及其调节方法与流程

本发明涉及高空环境模拟试验的空气供应装置，具体涉及一种用于高空环境模拟试验的空气供应系统及调节方法。

背景技术：

1、在进行冲压发动机地面试验研究中，要求试验装置能够模拟飞行时的马赫数、压力、温度及攻角条件，因此试验台必须提供大流量高温气体，而且气体成份要与“真实空气”一样。

2、环境来流模拟系统用于形成发动机试验所需的来流条件，通过在加热装置采用介质燃烧的方式对来流空气进行加热，加热装置由加热器和混合器构成，介质在加热器中燃烧产生的高温燃气加热由空气供应系统供应进来的空气，再通过混合器补充一定流量的冷空气，保证加热装置空气的流量和总温满足试验要求，同时使被加热空气的温度分布均匀，最后由射流喷管加速膨胀，产生满足要求的均匀流场。

3、要保证加热装置产生均匀流场，需要空气供应系统及相关的调控技术以保证向加热器、混合器提供运行所需的高压、大流量空气，确保形成冲压发动机高空模拟试验最终所需的干扰来流，而pid参数在试验稳定执行段与启动、调整段的特性不同，无法精确控制其启动、上升速率及平稳性特征的问题，造成空气调节系统启动压力无法快速稳定，严重影响试验进度与结果。

技术实现思路

1、为解决现有调控方法无法根据pid参数精确控制加热装置的启动、上升速率及平稳性等技术问题，本发明提出一种用于高空环境模拟试验的空气供应系统及调节方法。

2、本发明提供的技术方案为：

3、一种用于高空环境模拟试验的空气供应系统，其特殊之处在于：高压储气系统、高压输送系统与调压模块；

4、所述高压储气系统用于提供高压空气；所述高压输送系统与高压储气系统相接，用于向调压模块输送所需空气；

5、所述调压模块包括加热器空气供应调压单元和混合器空气供应调压单元；

6、所述加热器空气供应调压单元包括并联的第一调压组件、第二调压组件和第一孔板，第一调压组件包括第三电动阀和与之连接的第一调压阀，第三电动阀与高压输送系统相接，第一调压阀与加热器相接，第一调压阀与加热器之间设置压力计和温度计；第二调压组件包括第四电动阀和与之连接的第二调压阀，第四电动阀与高压输送系统相接，第二调压阀与加热器相接，第二调压阀与加热器之间设置压力计和温度计；所述第一调压阀与加热器之间设置有第一隔离阀；第一孔板设置在加热器入口，用于通过从第一调压阀和第二调压阀输出的空气；

7、所述混合器空气供应调压单元包括第一调节器、第二调节器及并联的第三调压组件、第四调压组件和设置在混合器入口的第二孔板；

8、第三调压组件包括第六电动阀和与之连接的第三调压阀，第六电动阀与高压输送系统相接，第三调压阀与混合器相接；第四调压组件包括第五电动阀、第一减压器、第二减压器及第二隔离阀，第五电动阀与第四电动阀相接，第一减压器和第二减压器的输入端均与第五电动阀输出端相接，第一减压器和第二减压器的输出端均与第二隔离阀相接，第二隔离阀与混合器相接，第五电动阀的输入端连接在第四电动阀和第二调压阀之间；第一调节器的驱动端和输入端均与高压输送系统相接，输出端与所述第一减压器的驱动端相接；第二调节器的驱动端和输入端均与高压输送系统相接，输出端与所述第二减压器的驱动端相接；第二孔板用于通过从第三调压组件和第四调压组件输出的空气；

9、所述第一调压阀、第二调压阀及第三调压阀均与调压阀控制系统相接；第一调节器和第二调节器均与调节器控制系统相接。

10、进一步地，所述第二调压阀的流通cv值大于第一调压阀的流通cv值；

11、所述第三调压阀的流通cv值大于第一减压器及第二减压器的流通cv值。

12、进一步地，所述高压输送系统包括第一电动阀、过滤器、第二电动阀、手动减压器及第二手动阀；

13、所述第一电动阀的一端与高压储气系统相接，另一端与过滤器相接，过滤器与第三电动阀、第四电动阀和第六电动阀均相接；

14、所述第二电动阀一端与高压储气系统相接，另一端与第一调节器和第二调节的输入端均相接；

15、所述手动减压器一端与高压储气系统相接，另一端与第二手动阀相接，第二手动阀与第一调节器和第二调节器的驱动端均相接。

16、进一步地，所述高压储气系统包括高压贮气罐组和与高压贮气罐组相接的第一手动阀，第一手动阀与第一电动阀、第二电动阀及手动减压器均相接。

17、进一步地，所述调压阀控制系统采用pid算法，用于对第一调压阀、第二调压阀及第三调压阀的开度进行实时调节；所述调节器控制系统采用pid算法，用于对第一调节器和第二调节器的控制气进行实时调节。

18、本发明还提供一种用于高空环境模拟试验的空气供应系统的调节方法，其特殊之处在于，采用上述的用于高空环境模拟试验的空气供应系统，包括以下步骤：

19、s1、根据加热器和混合器所需的空气压力范围，确定多个加热器目标压力和多个混合器目标压力；并根据各个加热器目标压力，确定对应的第一孔板初始调试孔径，根据各个混合器目标压力，确定对应的第二孔板初始调试孔径；

20、s2、启动调压阀控制系统和调节器控制系统，打开高压储气系统和高压输送系统；

21、s3、选取当前加热器目标压力和当前混合器目标压力；

22、s4、打开第一调压组件和第二调压组件，根据当前加热器目标压力，通过调压阀控制系统调节第一调压阀和第二调压阀的输出压力，获得第一调压阀和第二调压阀的输出压力为当前加热器目标压力时第一调压阀开度和第二调压阀开度；根据压力计和温度计测量结果，获得当前加热器目标压力下，对应的第一孔板的实际孔径；

23、打开第一调节器、第二调节器、第三调压组件和第四调压组件，根据当前混合器目标压力，通过调压阀控制系统和调节器控制系统调节第三调压阀、第一减压器和第二减压器的输出压力，获得第三调压阀、第一减压器和第二减压器的输出压力为当前混合器目标压力时分别对应的第三调压阀开度、第一减压器开度及第二减压器开度；根据压力计和温度计测量结果，获得当前混合器目标压力下，对应的第二孔板的实际孔径；

24、s5、返回步骤s3，重新选取当前加热器目标压力和当前混合器目标压力，直至获得各组加热器目标压力下第一调压阀开度和第二调压阀开度，构建第一调压阀开度与相应输出压力的第一关系曲线，第二调压阀开度与相应输出压力的第二关系曲线，确定第一孔板的实际孔径与流量和压力的关系式；

25、获得各组混合器目标压力下第三调压阀开度、第一减压器开度及第二减压器开度，构建第三调压阀开度与相应输出压力的第三关系曲线，第一减压器开度与相应输出压力的第四关系曲线，第二减压器与相应输出压力的第五关系曲线，确定第二孔板的实际孔径与流量和压力的关系式；

26、关闭调压阀控制系统、调节器控制系统、高压储气系统、高压输送系统和调压模块；

27、s6、开启高空环境模拟试验，打开调压阀控制系统、调节器控制系统和调压模块；

28、s7、基于高空环境模拟试验中当前加热器的实际空气压力需求，根据步骤s5中的第一关系曲线和第二关系曲线获得第一调压阀和第二调压阀的预置开度，并根据预置开度对第一调压阀和第二调压阀进行设置；根据第一孔板的实际孔径与流量和压力的关系式确定对应的第一孔板的实际孔径；

29、基于当前混合器的实际空气压力需求，根据步骤s5中的第三关系曲线、第四关系曲线和第五关系曲线获得第三调压阀、第一减压器及第二减压器的预设开度，并根据预设开度对第三调压阀、第一减压器及第二减压器进行设置；根据第二孔板的实际孔径与流量和压力的关系式确定对应的第二孔板的实际孔径；

30、s8、打开高压储气系统和高压输送系统，向加热器输入空气；

31、若加热器的输入压力不满足要求，通过调节第一调节阀或第二调节阀实现加热器输入压力的调节；

32、同时向混合器输入空气，若混合器的输入压力不满足要求，通过调节第三调节阀或第一减压器或第二减压器实现混合器输入压力的调节；

33、s9、返回步骤s7，根据高空环境模拟试验参数要求重新确定加热器和混合器的实际空气压力需求，再次获取当前加热器和混合器的实际空气压力需求，直至高空环境模拟试验结束。

34、进一步地，步骤s8中，若加热器的输入压力不满足要求，通过调节第一调节阀或第二调节阀实现加热器输入压力的调节，具体为：

35、根据预设开度对应的压力、该压力下空气密度、第一孔板的孔径，计算输入加热器的实际流量，根据实际流量与目标加热器流量的差值δq1对加热器的输入空气压力进行调节；

36、若δq1对应的第一调节阀开度调节量程，在第一调节阀的优化开度范围内，则采用第一调节阀对加热器输入压力进行调节，直至输入空气压力满足加热器需求；

37、若δq1对应的第一调节阀开度调节量程，在第一调节阀的优化开度范围外，则采用第二调节阀对加热器输入压力进行调节，直至输入空气压力满足加热器需求。

38、进一步地，步骤s8中，若混合器的输入压力不满足要求，通过调节第三调节阀或第一减压器或第二减压器实现混合器输入压力的调节，具体为：

39、根据预设开度对应的压力、该压力下空气密度、第二孔板的孔径，计算输入混合器的实际流量，根据实际流量与目标混合器流量的差值δq2，对混合器的输入空气压力进行调节；

40、若δq2对应的第一减压器或第二减压器开度调节量程，在第一减压器或第二减压器的优化开度范围内，则采用第一减压器或第二减压器对加热器输入压力进行调节，直至空气压力满足混合器需求；

41、若δq2对应的第一减压器或第二减压器开度调节量程，在第一减压器或第二减压器的优化开度范围外，则同时采用第一减压器和第二减压器对加热器流量进行调节，直至空气压力满足混合器需求；

42、若δq2对应的第一减压器和第二减压器开度调节量程，均在第一减压器和第二减压器优化开度范围外，则采用第三调压阀对加热器流量进行调节，直至空气压力满足混合器需求。进一步地，步骤s7中，第一调节阀、第一减压器、第二减压器的优化开度范围为对应最大开度的10％-85％。

43、本发明的有益效果：

44、1、本发明采用第一调压组件和第二调压组件并联设置，第三调压组件和第四调压组件并联设置的并联调节匹配组合技术，实现了加热器、混合器空气供应同步快速调节，调节范围和调节精度均得到了提高。

45、2.本发明提供的调节方法通过获得阀门开度与压力的关系曲线，获得预置开度，同时，基于采用pid算法的调压阀控制系统和调节器控制系统，使空气调节系统启动压力稳定时间由传统6秒缩短到2s，且动态调节精度达到3％。

46、3、通过对调节模块的第一调压阀、第二调压阀、第三调压阀、第一减压器及第二减压器的开度预与压力曲线，对开度进行提前预置使试验系统能更好满足各工况流量偏差要求，同时极大减少冷调工作量。

47、4、本发明采用模块化组合，简化试验工艺系统，充分利用系统资源，避免浪费。