一种气冷-热环境下快速变温跟踪控制系统及其控制方法

本发明涉及温度控制，具体涉及一种气冷-热环境下快速变温跟踪控制系统及其控制方法。

背景技术：

1、随着现代航空发动机的不断发展，发动机热端部件工作环境愈加恶劣，承受着越来越严峻的考验。未来先进发动机的主要研究方向之一是变循环发动机，其模式切换过程将导致强瞬变热环境，给高温结构的安全性带来极大挑战。在实验室复现近服役条件下的极端强瞬变热环境，是开展热机械疲劳损伤研究的必要前提，对发动机设计和研制具有重要意义。

2、变循环发动机模式切换过程将不可避免地引起80k/s量级以上的强瞬变温度变化率，较常规四代机的温度变化率提升近四倍。近服役条件下的极端强瞬变热环境对实验室气冷-热环境的温度要求不同于常见的恒温保持，而是对目标温度变化波形有着具体要求，因此需控制变温装置实现温度快速且精准地按指定目标曲线变化，即温度快速变化跟踪。目前，国内外对气冷-热环境快速变温控制的试验技术研究少，强瞬变热环境实验控制装置缺乏，普遍变温控制水平低于10k/s，不能满足航空发动机强瞬变气冷-热环境的温度变化要求。

3、现有的温控系统绝大多数是控制温度维持在恒定目标值附近，或者控制温度从某一恒定目标值变化至下一目标值，其控制精度是对维持温度恒定效果而言的，但对升温与降温过程中的温度变化速率没有实时控制，且多为控制加热或冷却单一功能，仅根据达到设定温度范围上下限时的触发信号控制设备的启停，不能根据温差实时调整温度变化速率，没有形成闭环反馈系统。同时，现有温控器大多是电子系统中的某集成部分，设定修改与显示储存不方便。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了一种气冷-热环境下快速变温跟踪控制系统及其控制方法，能够控制加热与冷却过程变温速率，实现对目标温度快速变化曲线的准确跟踪，满足航空发动机强瞬变环境科学研究对气冷-热环境温度变化的要求。

2、本发明的一个目的在于提供了一种气冷-热环境下快速变温跟踪控制系统，具体涉及一种基于arduino的气冷-热环境下快速变温跟踪控制系统，包括：设定单元1、传感器模块2、控制单元3、温度调节单元4和电源模块5；

3、所述控制单元将接收的温度信息进行计算获得对应的控制信号；所述温度调节单元依据控制信号获得对应的温控效果，同时反馈给控制单元形成闭环反馈，得到下一个控制信号；

4、所述控制单元包括时钟模块301、控制模块302和整定模块303；所述时钟模块和整定模块集成在控制模块上；所述控制模块控制协调整个系统的运行；

5、所述时钟模块用于统一采样时间和目标温度对应时间；所述整定模块用于整定开源电子开发板arduino控制器控制参数的精度，获得控制器的比例控制系数、积分控制系数和微分控制系数；

6、优选的，所述控制模块采用开源电子开发板arduino控制器，所述时钟模块和整定模块集成在开源电子开发板arduino控制器上。

7、本发明技术方案使用了开源电子开发板arduino控制器承担着数据的处理和传输功能，包含多个输入和输出接口，体积较小。

8、所述设定单元包括输入设定模块101、通信模块102和显示器模块103；所述输入设定模块的输出端与所述通信模块的输入端连接，所述通信模块的输出端与所述显示器模块的输入端连接，所述显示器模块的输出端与所述开源电子开发板arduino控制器的输入端连接；

9、本发明技术方案将显示器模块与开源电子开发板arduino控制器连接，即，开源电子开发板arduino控制器与设定单元连接，在设定单元形成了设定-显示-传输交互系统，该系统直观，便于修改和存储，成本低。

10、所述传感器模块为温度传感器；所述电源模块和传感器模块的输出端分别与控制单元的输入端连接；

11、本发明的传感器模块使用的是温度传感器，用于实时检测被控对象的温度。

12、所述温度调节单元包括继电器模块401、加热模块402、冷却模块403和安全断电模块404；所述加热模块和冷却模块的输入端与所述继电器模块的输出端连接；所述加热模块和冷却模块的输出端与所述传感器模块的输入端连接；

13、所述开源电子开发板arduino控制器的输出端分别与所述安全断电模块和所述继电器模块的输入端连接。

14、本发明的另一个目的为提供了一种气冷-热环境下快速变温跟踪控制系统的控制方法，具体涉及一种基于arduino的气冷-热环境下快速变温跟踪控制系统的控制方法，包括：

15、接通气冷-热环境下快速变温跟踪的电源模块，初始化控制系统，获得初始化后的控制系统；

16、在所述初始化后的控制系统中输入预设的温度参数，获得目标温度变化曲线；所述温度参数包括：初始温度、终止温度、温度变化时间、温度保持时间和温度变化速率，如图2所示；所述目标温度变化曲线为温度函数曲线，可以是折线型、梯形波和抛物线；

17、所述目标温度变化曲线通过所述通信模块输入开源电子开发板arduino控制器中，得到控制系统的温度控制目标；所述温度控制目标包括：温度变化速率和温度变化区间；

18、建立整定模块的传递函数；

19、所述开源电子开发板arduino控制器依据整定模块的传递函数对所述控制器进行参数整定，得到所述控制器的比例控制系数、积分控制系数和微分控制系数；所述参数包括：控制器的比例度、积分时间、微分时间；

20、打开控制系统的控制开关；

21、在时钟模块设置采集温度的t个采样时刻，得到第t个采样时刻对应的目标温度；同时，使用温度传感器采集第t个采样时刻对应的被控对象的实时温度；所述第t个采样时刻对应的实时温度与目标温度实时显示在控制系统的显示器模块上，及时获取温度信息与控制情况；

22、获取第t个采样时刻对应的目标温度和实时温度的温度差值；

23、所述第t个采样时刻的温度差值输入开源电子开发板arduino控制器中，进行双路执行调节pid运算，获得控制系统第t个采样时刻对应的控制信号；

24、所述第t个采样时刻对应的控制信号输出到温度调节单元，调节温度和温度变化速率，获得第t个采样时刻的温控效果；

25、将第t个采样时刻的温控效果通过温度传感器采用同一路信号反馈给控制单元，形成闭环反馈，得到第t+1个下一采样时刻对应的控制信号输出。

26、优选的，所述双路pid运算的表达式为：

27、

28、其中，u(t)为第t个采集时刻对应的的控制信号，e(t)为第t个采集时刻的目标温度与实际温度对应的误差，t＝1,2,3…t，t表示采集时刻的的总数，kp为控制器的比例控制系数，ki为控制器的积分控制系数，kd为控制器的微分控制系数。

29、优选的，所述第t个采样时刻对应的控制信号输出到温度调节单元，调节温度和温度变化速率，获得第t个采样时刻的温控效果，具体步骤包括：

30、接通继电器模块，当第t个采样时刻对应的的控制信号为需要加热时，接通加热模块，根据第t个采样时刻对应的控制信号调节加热模块的作动量对被控对象进行加热，冷却模块同时根据控制信号调节冷却模块的作动量配合工作，获得第t个采样时刻的温控效果；

31、当第t个采样时刻对应的控制信号为需要冷却时，接通冷却模块，根据第t个采样时刻对应的控制信号调节冷却模块的作动量对被控对象进行冷却，加热模块同时根据控制信号调节加热模块的作动量配合工作，获得第t个采样时刻的温控效果；

32、当第t个采样时刻的温控效果达到温度控制目标或温度超出安全工作范围时，安全断电模块则控制所述控制系统进行安全断电。

33、优选的，所述作动量包括：加热电流、加热功率和阀门开度、阀门流速；所述加热模块采用感应加热；所述冷却模块采用冲击冷却。

34、本发明技术方案将温控效果的温度变化通过温度传感器采用同一路信号反馈给控制单元，形成闭环反馈，得到下一采样时刻控制信号输出，使得温度差值逼近0，实现温度快速变化跟踪。

35、本发明技术方案使用开源电子开发板arduino控制器对实时温度与目标温度的温度差值进行双路pid运算，输出控制信号给温度调节单元，需要加热时继电器模块接通，加热模块根据控制信号作动量的大小工作，需要冷却时冷却模块根据控制信号作动量的大小工作，两个作动器协同配合，实时调节温度变化速率。

36、与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：

37、(1)本发明的控制系统设有温度控制目标，设定模块及温度显示模块，无需更改温度控制器即可应用在不同的温度调节场景中，实现对不同气冷-热环境温度变化要求的控制，既操作简便又成本低廉；

38、(2)本发明的控制系统为闭环控制系统，双路作动器根据温控效果的同一反馈信号实时调整作动量，温度变化反馈及时，抗干扰能力强，控制精度高，为复现航空发动机近服役条件的气冷-热环境提供技术支撑；

39、(3)本发明的控制系统设有智能安全断电模块，当温度控制执行完毕或超出安全工作范围时，安全开关及时断开，避免持续高温带来危险，保证环境安全并避免被控设备损坏。