基于PID控制的动态热流测试方法与流程

本发明属于高超声速器地面防热试验和飞行试验测试，具体涉及一种基于pid控制的动态热流测试方法。

背景技术：

1、当高超声速飞行器在大气层中或再入大气层过程中，飞行器表面与周围气体剧烈相互作用产生严酷的气动加热现象、边界层转捩与湍流热，有可能引起飞行器外形烧蚀变形，甚至导致结构破坏。为了保证飞行器在气动加热环境下任具有良好的气动力特性以及飞行安全，开展气动热环境与防热材料/结构预测理论与验证评估试验研究具有非常重要的意义。根据飞行器外形、飞行马赫数以及飞行高度等情况影响，飞行器表面气动热流输入范围从几百kw/m2量级的低热流至10mw/m2量级的高热流。因此，在高超声速飞行器验证评估试验中热流是一个重要高温流场模拟试验参数。对于飞行器表面固定位置在飞行轨道中所经历的气动热是时变的，因此其表面材料热响应与在恒定热流电弧加热地面模拟环境的热响应是不同的；不同的热响应过程可能在热物理与热化学现象存在差异。因此，为了更真实反映飞行器防热系统热响应过程，进行电弧风洞或加热器变试验参数运行或变试验/校测模型姿态防热试验是必要的。为了获得时变动态热流流场校测数据，也需要开展长时间动态热流测试。因此，发展可以测试长时间动态气动加热过程的热流是热流测试技术发展的一个重要方向。

2、而现有技术中申请号为2019109996909的《一种基于传递函数辨识的动态热流测试方法》，其也是一种基于热流传感器传递函数热流标定试验辨识的动态热流测试方法，其起到的效果在于有效提高了测试时间，降低了热流传感器加工难度和加工成本，但如图5所示，其虽然在一定程度了提高有效测试时间，但因受传热体后部边界传热扰动影响，仍然没有办法满足更长时间动态热流测试的需要。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

2、为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于pid控制的动态热流测试方法，包括：

3、步骤一，基于已知的标定输入热流数据qc和一维线性动态热流传感器对应的单测点温度数据t(x0,k)，辨识出离散传递函数正向传热模型

4、步骤二，基于步骤一得到的正向传热模型设计pid控制器；

5、步骤三，以现场实测的温度信号作为轨迹跟随控制参考信号，以正向传热模型作为被控对象，采用步骤二建立的pid控制器，完成热流值的测试；

6、其中，在步骤二中，所述pid控制器将单位阶跃温度信号作为参考输入信号，温度期望值与离线受控正向传热模型输出之间的误差作为pid控制积分项，将一次微分作为比例项，二次微分作为控制器微分项输入变量，以调节pid控制参数，满足阶跃输出响应时间、过调量以及稳定时间要求。

7、优选的是，在步骤一中，所述离散传递函数正向传热模型的建立流程被配置为包括：

8、s10，将基准热流传感器测试得到的方波热流幅值绝对热流qc作为一维线性动态传热的热流传感器的标定输入方波热流幅值；

9、s11，以采样时间间隔为δt，同步采集幅值已标定的方波形输入热流的分光路光电二极管信号s(k)和一维线性动态热流传感器内部单测温点的温度数据t(x0,k)，通过归一化的方式反映标定热流波形的s(k)信号，并结合s10中得到的qc和热流传感器感应面涂层吸收率，进而获得动态标定方波净输入热流q(k)；

10、s12，基于零点数为3，极值点数为4的一维线性动态热流传感器构建如下的正向传热离散传递函数

11、

12、其中，为传递函数参数矢量；z为离散传递函数自变量。

13、s13，基于s11中得到的q(k)、t(x0,k)作为的时间域输入、输出信号，采用如下的自适应算法调整离散传递函数中的参数矢量以使其输出信号与实测时序离散温度均方根误差目标函数最小：

14、

15、其中，为离散传递函数分子与分母多项式中的最优参数矢量；nz为传递函数分子多项式系数总数；np为传递函数分目多项式系数总数；n为实测离散温度t(x0,k)数据总数；为离散传递函数输出信号，可表示为其中z-1为反z变换算子，q(z)为q(k)z变换值。

16、s14，对目标函数采用线性搜索算法组合寻优方式，按顺序进行寻找方向计算，以最先促使目标函数值减小的寻找方法所获得的搜索方向作为当前寻优方向，进一步辨识得到正向传热模型

17、优选的是，在步骤三中，将一维线性动态热流传感器现场实测的温度信号t(x0,k)作为轨迹跟随控制参考信号，以正向传热模型作为被控对象，然后基于pid控制器获得的时序热流变化量δq(k)，同时考虑前一时刻的热流估计值，从而测试出当前时刻的热流值

18、优选的是，一维线性动态热流传感器被配置为包括圆柱形的无氧铜传热体以及设置在无氧铜传热体外周上的绝缘层；

19、其中，在距无氧铜传热体第一端面的x0处设置有单点测温的热电偶对，所述第一端面为无氧铜传热体感应面热流来流侧；

20、所述无氧铜传热体壁外侧设置有隔热空气间隙。

21、本发明至少包括以下有益效果：本发明基于热流标定试验数据的离散传递函数正向传热模型辨识，因此所获得的辨识模型不依赖传热体的密度、比热和导热系数，热电偶测温误差、时滞特性以及几何尺寸误差等影响；

22、进一步地，根据相关函数求解辨识模型可以看出，由于输出变量单测温点测试数据中所含噪声与输入热流无相关性，对正向传热模型辨识不会产生影响，提高了模型泛化能力；在此基础上可以进行pid控制，进一步提高控制鲁棒性，降低了传热体后部边界传热扰动所带来的不利影响。故本发明热流测试有效性的时长可达到27.5s，相对于现有技术而言，测试的时间得到了有效的提升。

23、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

技术特征：

1.一种基于pid控制的动态热流测试方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于pid控制的动态热流测试方法，其特征在于，在步骤一中，所述离散传递函数正向传热模型的建立流程被配置为包括：

3.如权利要求1所述的基于pid控制的动态热流测试方法，其特征在于，在步骤三中，将一维线性动态热流传感器现场实测的温度信号t(x0,k)作为轨迹跟随控制参考信号，以正向传热模型作为被控对象，然后基于pid控制器获得的时序热流变化量δq(k)，同时考虑前一时刻的热流估计值，从而测试出当前时刻的热流值

4.如权利要求1所述的基于pid控制的动态热流测试方法，其特征在于，一维线性动态热流传感器被配置为包括圆柱形的无氧铜传热体以及设置在无氧铜传热体外周上的绝缘层；

技术总结
本发明公开了一种基于PID控制的动态热流测试方法，包括：步骤一，基于已知的标定输入热流数据和一维线性动态热流传感器对应的单测点温度数据，辨识出离散传递函数正向传热模型；步骤二，基于步骤一得到的正向传热模型，设计PID控制器；步骤三，以现场实测的温度信号作为轨迹跟随控制参考信号，正向传热模型作为被控对象，采用步骤二建立的PID控制器，完成热流值的测试。本发明提供一种基于PID控制的动态热流测试方法，可以有效克服热电偶测温误差与时滞、弱化了传热体后部边界传热影响、以及不依赖传热体热物性参数准确获取，能够实现较长时间范围动态热流高精确度测试。

技术研发人员：王辉,白小娟,朱新新,杨庆涛,杨凯,朱涛,杨远剑
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13