本发明涉及环境试验和控制技术领域，尤其涉及一种用于离心环境的压力控制系统及控制方法。
背景技术：
飞行器在发射阶段和再入大气层飞行时，要经受加速度载荷和壳体表面气动载荷的综合作用，严重的可能造成结构的破坏，使飞行失败。为保证该过程中的安全性和稳定性，对其内部各种元器件的可靠性提出了越来越高的要求。而参数可控性差、环境污染、成本高和不可重复等条件，为实际飞行条件下检测元器件的可靠性带来了困难。因此，在地面进行综合离心环境试验，具有重要的理论和现实意义。
综合离心压力控制系统用离心机转动时的向心加速度模拟试件飞行中需要承受的过载，外压控制系统根据实时测量的加速度值(过载值)同步施加气动载荷，模拟试件飞行过程中的气动载荷环境。通过离心环境下外压协调加载控制方法，研究试件在此环境应力作用下和作用后性能的变化，为设计方案的改进提供依据。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决离心过载环境下压力加载的同步控制问题，实现离心环境试验下模拟试件飞行过程中的气动载荷环境的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于离心环境的压力控制系统，包括气源、加载装置、加压控制器、压力传感器和加速度传感器，所述加载装置设置于试件上，所述加压控制器设置于离心机转臂控制中心，所述气源通过气路控制元件与所述加载装置连接，所述压力传感器设置于所述加载装置的出气口上与所述加压控制器连接，所述加速度传感器设置于所述试件上且与所述加压控制器连接，所述加压控制装置与所述气路控制元件连接。
其中，所述加速度传感器包括主加速度传感器和两个副加速度传感器，所述主加速度传感器用于采集所述试件的几何中心、中心或敏感点的加速度载荷值，两个所述副加速度传感器分别用于采集所述试件的最远端和最近端的加速度载荷值。
其中，所述气路控制元件包括依次连接的过滤器、开关阀和比例调节阀，所述过滤器与所述气源连接，所述比例调节阀与所述加载装置连接，所述加压控制器分别与所述开关阀和所述比例调节阀连接。
其中，还包括远程控制组件，所述远程控制组件包括依次连接的控制计算机、光纤滑环和交换机，所述交换机与所述加压控制器连接。
其中，还包括供电组件，所述供电组件包括依次连接的供电设备、电力滑环、ups和直流电源，所述ups分别与所述交换机和所述加压控制器连接，所述直流电源分别与所述比例调节阀和所述开关阀连接。
其中，所述加压控制器包括cpu、数据采集元件和控制输出元件，所述cpu的输入端与所述数据采集元件连接，所述cpu的输出端与所述控制输出元件连接，所述数据采集元件分别与所述压力传感器和所述加速度传感器连接，所述控制输出元件与所述气路控制元件连接。
其中，所述气源为空气压缩机或高压气瓶；所述加载装置为皮囊。
本发明还提供了一种应用上述所述用于离心环境的压力控制系统进行的压力控制方法，包括以下步骤：
s1，将压力与加速度的加载谱发送至压力控制器；
s2，通过压力控制器实时获取加速度加载传感器采集的加速度载荷值；通过压力控制器实时获取压力传感器采集的压力反馈信号；
s3，通过压力控制器根据加载谱和当前的加速度载荷值进行线性插值计算，得出当前压力加载值作为压力设定值；
s4，通过压力控制器将压力设定值与压力反馈信号进行比较，通过闭环pid控制计算得出中间控制量；
s5，通过压力控制器将中间控制量与压力设定值相加得出最终控制量；
s6，通过压力控制器将最终控制量转换输出至气路控制元件；
s7，通过气路控制元件控制气源通入加载装置的气量。
其中，步骤s6具体包括，通过压力控制器根据比例调节阀的压力与控制电流对应关系，将最终控制量转换为电信号，再将电信号转换为模拟信号并输出至比例调节阀。
其中，所述比例调节阀的内置压力传感器将所述比例调节阀出口处的压力值转为电信号，反馈至所述比例调节阀的内置压力调节器中与控制电流值比较，若存在偏差，则所述内置压力调节器控制所述比例调节阀的开度，从而控制所述比例调节阀出口处的压力值。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明用于离心环境的压力控制系统及控制方法，根据离心机转动过程中的实时加速度计算当前加载装置的加载设定值，实时模拟试件在当前飞行过程所承受过载下的气动载荷情况。气源为控制系统提供加载所需的气体，气源安装在离心机转臂，试件安装在离心机转臂的仪器舱内，加载装置包裹在试件表面，加速度传感器获取试件的加速度信号，压力传感器安装在出口的气路上，压力信号和加速度信号经转臂内的信号线接入加压控制器内，将模拟信号转换为数字信号后，压力控制器根据加速度值计算当前压力加载值，完成压力闭环控制算法计算，并将控制信号发送至气路控制元件，调节加载装置对试件施加的压力。同时，加压控制器前置于离心机转臂控制中心位置，将压力传感器和加速度传感器模拟信号转换为数字信号后，通过网络将数据发送至远端控制计算机，避免了滑环可能引入的干扰。
除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。
附图说明
图1是本发明实施例的用于离心环境的压力控制系统的结构示意图；
图2是本发明实施例的用于离心环境的压力控制方法的控制流程示意图。
图中：1：气源；2：加载装置；3：加压控制器；4：压力传感器；5：加速度传感器；6：试件；7：过滤器；8：开关阀；9：比例调节阀；10：控制计算机；11：光纤滑环；12：交换机；13：供电设备14：电力滑环；15：ups；16：直流电源。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
如图1所示，本发明实施例提供的用于离心环境的压力控制系统，包括气源1、加载装置2、加压控制器3、压力传感器4和加速度传感器5，加载装置2设置于试件6上，加压控制器3设置于离心机转臂控制中心，气源1通过气路控制元件与加载装置2连接，压力传感器4设置于加载装置2的出气口上与加压控制器3连接，加速度传感器5设置于试件6上且与加压控制器3连接，加压控制装置3与气路控制元件连接。
本发明用于离心环境的压力控制系统，根据离心机转动过程中的实时加速度计算当前加载装置的加载设定值，实时模拟试件在当前飞行过程所承受过载下的气动载荷情况。气源为控制系统提供加载所需的气体，气源安装在离心机转臂，试件安装在离心机转臂的仪器舱内，加载装置包裹在试件表面，加速度传感器获取试件的加速度信号，压力传感器安装在出口的气路上，压力信号和加速度信号经转臂内的信号线接入加压控制器内，将模拟信号转换为数字信号后，压力控制器根据加速度值计算当前压力加载值，完成压力闭环控制算法计算，并将控制信号发送至气路控制元件，调节加载装置对试件施加的压力。同时，加压控制器前置于离心机转臂控制中心位置，将压力传感器和加速度传感器的模拟信号转换为数字信号后，通过网络将数据发送至远端控制计算机，避免了滑环可能引入的干扰。
其中，加速度传感器5包括主加速度传感器和两个副加速度传感器，主加速度传感器用于采集试件6的几何中心、中心或敏感点的加速度载荷值，两个副加速度传感器分别用于采集试件6的最远端和最近端的加速度载荷值。在试件的远端和近端，以及中心分别安装加速度传感器。试件中心的为主加速度传感器，负责采集试件几何中心、中心或敏感点的加速度载荷值，另外两路辅助加速度传感器采集试件最近和最远端所承受的加速度载荷值；本实施例采用精度较高的三轴加速度传感器，该加速度载荷值为同步压力载荷加载的加速度值。加速度载荷值直接影响加压的设定值和试验安全，所以加速度传感器采用双备份并进行实时比较。
其中，气路控制元件包括依次连接的过滤器7、开关阀8和比例调节阀9，过滤器7与气源1连接，比例调节阀9与加载装置2连接，加压控制器3分别与开关阀8和比例调节阀9连接。气路控制元件安装在离心机的转臂中心的机柜内，开关阀用来通、断气路；比例调节阀接收压力控制器的指令信号，调节阀口开度。空气过滤器对空气进行过滤，清除空气中的杂质。气源首先通过过滤器对空气进行过滤，当开始控制时，首先加压控制器通过数字io口开启开关阀，加压控制器进过控制输出控制电流控制比例调节阀，调节比例调节阀的开口大小，从而控制输出气体压力，控制加载装置内气体压力大小的作用，达到试件所需的加载压力载荷。
其中，本发明用于离心环境的压力控制系统还包括远程控制组件，远程控制组件包括依次连接的控制计算机10、光纤滑环11和交换机12，交换机12与加压控制器3连接。交换机安装在离心机的转臂中心的机柜内，控制计算机设置于远程控制间。加压控制器采集到的加载装置的压力信号和离心机的加速度信号以及控制量等数字信号可通过交换机上传至控制计算机，进行实时数据显示，运行在远程控制计算机内的操作程序将接收到的压力值、加速度值和控制量保存成数据文件，并通过交换机将试验曲线、试验参数、控制参数发送至加压控制器，完成加压试验，操作人员通过该计算机完成对加压控制系统的操作以及监控。其中交换机与操作计算机之间的数据交互通过光纤滑环进行传递，控制计算机将试验控制参数通过光纤滑环发送至交换机，交换机与加压控制器通过通讯协议传递控制参数，加压控制器通过交换机和滑环，将温度值、控制量等试验过程数据上传至远程控制计算机，并实时显示和保存。本发明以数字信号的形式，通过网络的方式进行数据交互的方式，提高了控制系统抗干扰的能力，提升了控制系统的稳定性。
其中，本发明用于离心环境的压力控制系统还包括供电组件，供电组件包括依次连接的供电设备13、电力滑环14、ups(不间断电源)15和直流电源16，ups15分别与交换机12和加压控制器3连接，直流电源16分别与比例调节阀6和开关阀8连接。ups和直流电源安装在离心机的转臂中心的机柜内，供电设备位于远程控制间的配电室内。ups为加压控制器、交换机和直流电源供电，在正常情况下，直接由220v通过直通方式供电，在突然断电情况下，通过ups为设备提供电源，保证控制系统在突然断电情况下的安全。供电设备通过供电滑环将220v供电接入ups，ups输出供电至加压控制器和交换机和直流电源，直流电源给比例调节阀和开关阀供电。在断电的情况下，加压控制器仍可继续工作，防止因突然断电引起的试件加压失败。
其中，加压控制器3包括cpu(中央处理器)、数据采集元件和控制输出元件，cpu的输入端与数据采集元件连接，cpu的输出端与控制输出元件连接，数据采集元件分别与压力传感器4和加速度传感器5连接，控制输出元件与气路控制元件连接。压力信号和加速度信号经转臂内的信号线接入加压控制器内，加压控制器的数据采集元件接收信号，并将模拟信号转换为数字信号传入cpu，cpu根据加速度值计算当前压力加载值，完成压力闭环控制算法计算，控制信号通过控制输出元件发送至比例调节阀，调节加载装置的压力。
其中，气源1为空气压缩机或高压气瓶；加载装置2为皮囊。气源为控制系统提供加载所需的气体，气源安装在离心机转臂，气源可以由空气压缩机提供，也可以是高压气瓶。试件安装在离心机转臂的仪器舱内，皮囊包裹在试件表面。皮囊为弹性体作为加载装置，为被控对象。
如图2所示，本发明还提供了一种应用上述所述用于离心环境的压力控制系统进行的压力控制方法，包括以下步骤：
s1，将压力与加速度的加载谱发送至压力控制器；
s2，通过压力控制器实时获取加速度加载传感器采集的加速度载荷值；通过压力控制器实时获取压力传感器采集的压力反馈信号；
s3，通过压力控制器根据加载谱和当前的加速度载荷值进行线性插值计算，得出当前压力加载值作为压力设定值；
s4，通过压力控制器将压力设定值与压力反馈信号进行比较，通过闭环pid(比例-积分-微分)控制计算得出中间控制量；
s5，通过压力控制器将中间控制量与压力设定值相加得出最终控制量；
s6，通过压力控制器将最终控制量转换输出至气路控制元件；
s7，通过气路控制元件控制气源通入加载装置的气量。
压力加载值由加速度和压力加载谱以及当前控制加速度值采用插值方法实时生成，保证当前加载值与加速度载荷值对应。加压控制器根据加速度载荷值计算当前压力加载值，完成压力闭环控制算法计算，并将控制信号发送至比例调节阀，调节皮囊压力，完成离心加载环境下的压力加载。按照实时加速度载荷值计算当前的压力设定值进行同步协调加载，外压加载与离心加载保持同步。压力控制系统硬件采用实时控制器，该控制器为实时操作系统，程序运行稳定可靠。采用压力闭环控制策略及过载传感器余度方法，保证离心环境下外压控制的精度及试件的安全性。
其中，步骤s6具体包括，通过压力控制器根据比例调节阀的压力与控制电流对应关系，将最终控制量转换为电信号，再将电信号转换为模拟信号并输出至比例调节阀。
其中，比例调节阀的内置压力传感器将比例调节阀出口处的压力值转为电信号，反馈至比例调节阀的内置压力调节器中与控制电流值比较，若存在偏差，则内置压力调节器控制比例调节阀的开度，从而控制比例调节阀出口处的压力值。
试验人员在远程计算机设置好压力与加速度的加载谱，发送至压力控制器，压力控制器通过实时采集的加速度载荷载荷值，通过加载谱进行线性插值计算出当前压力加载值，作为压力设定值u0(k)，与压力传感器采集的压力反馈信号进行比较，通过闭环pid控制计算出中间控制量u1(k)，该中间控制量u1(k)与压力设定值u0(k)相加构成最终控制量u(k)，根据比例调节阀的压力与控制电流对应关系做压力与电流转换，通过压力控制器的d/a转换模块转换成模拟输出，输出给比例调节阀，比例压力阀具有内闭环功能，其内置压力传感器将阀出口处的压力值转为电信号反馈至比例压力阀中的压力调节器，与控制电流值比较，如存在偏差，压力调节器控制比例压力阀的开度，从而控制阀出口的压力值，实现比例压力阀的内闭环控制，所以，整个闭环控制是双闭环，实现加载装置的压力控制。
为实现更好的模拟试件承受的压力载荷，本发明控制系统为9区独立加载，加压控制器为9路模拟输出，比例调节阀为9个，可实现最多9区独立控制。针对试件表面在多区域所承受的气动载荷环境不同的实际情况，本发明利用多回路独立闭环控制方法，实现各区压力独立控制，大大提高了模拟气动载荷的精度，实现离心过载环境下的压力复合环境模拟。
综上所述，本发明用于离心环境的压力控制系统及控制方法，根据离心机转动过程中的实时加速度计算当前加载装置的加载设定值，实时模拟试件在当前飞行过程所承受过载下的气动载荷情况。气源为控制系统提供加载所需的气体，气源安装在离心机转臂，试件安装在离心机转臂的仪器舱内，加载装置包裹在试件表面，加速度传感器获取试件的加速度信号，压力传感器安装在出口的气路上，压力信号和加速度信号经转臂内的信号线接入加压控制器内，将模拟信号转换为数字信号后，压力控制器根据加速度值计算当前压力加载值，完成压力闭环控制算法计算，并将控制信号发送至气路控制元件，调节加载装置对试件施加的压力。同时，加压控制器前置于离心机转臂控制中心位置，将压力传感器和加速度传感器模拟信号转换为数字信号后，通过网络将数据发送至远端控制计算机，避免了滑环可能引入的干扰。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。