石墨加熱元件及其加熱控制方法研究

石墨加熱元件及其加熱控制方法研究
石墨加熱元件及其加熱控制方法研究
石墨加熱元件大有作為 隨著高超聲速飛行器、天地往返運輸系統以及新一代高馬赫數導彈武器系統的發展,飛行器面臨的熱環境愈加惡劣。傳統石英燈加熱元件因其結構和材料特性的局限性已經不能滿足這種高溫、高熱流的熱試驗需求。以石墨材料為發熱體的石墨加熱元件,因其具有加熱率高等特性,被廣泛應用于風洞、冶金、核工業等領域。然而,石墨加熱元件在國內航天飛行器熱試驗領域的應用尚屬起步階段,其加熱特性及其加熱控制方法等設計、使用中的問題還有待解決。

因此,對石墨加熱元件進行幾何結構和裝配形式等方面的優化,并改進其使用過程中的加熱控制方法顯得十分必要。本文通過對熱試驗的概念、原理及方法等方面的研究,結合仿真和實驗方法,設計并優化了一種高加熱率石墨加熱元件,并對其時間常數、結構裝配形式合理性、大氣環境使用壽命、抗氧化涂層有效性及加熱均勻性等性能進行了實驗研究。受加熱元件裝配形式的影響,加熱元件在使用過程中會發生破壞現象,本文使用熱應力理論,結合有限元分析方法對加熱元件的熱應力場進行了仿真分析,提出了一種有效的減小加熱元件熱應力的裝配形式。石墨加熱元件構成的熱試驗加熱控制系統具有大慣性、非線性、時變等特點,實際使用經驗表明,傳統PID控制方法對這種加熱控制系統進行控制,容易出現“過控制”和“欠控制”的現象。

本文對傳統PID控制原理和模糊控制原理進行了系統性研究,考慮到兩種控制原理的特點,提出了一種PID控制參數自適應整定的模糊-PID控制方法。針對加熱控制系統熱慣性大的特點,本文提出了一種對計算機輸出DA值進行超前限幅的控制策略。為了驗證控制方法的有效性,本文在使用最小二乘法對加熱控制系統進行數學模型辨識的基礎上,通過MATLAB軟件對加熱控制系統搭建了PID控制、模糊-PID控制的仿真程序,并進行了仿真實驗。實驗結果表明,與傳統PID控制方法相比,模糊-PID控制可以有效減小控制曲線的超調量,提高了加熱控制系統的控制質量。本文使用LabVIEW軟件以及加熱控制相關硬件系統,對PID控制方法、模糊-PID控制方法和帶有超前限幅控制策略的模糊-PID控制方法進行了實驗研究。

實驗結果表明,與PID控制方法相比,模糊-PID控制方法的控制曲線可以更好的跟隨設定曲線,控制曲線最大超調量由10kW/m2減小至4.8kW/m2,然而,控制曲線仍然存在嚴重的振蕩現象。采用了超前限幅控制策略的模糊-PID控制方法的控制曲線跟隨性更好,控制曲線的超調量小于1kW/m2。超前限幅控制策略明顯改善了控制系統的響應時間、超調量、穩態性能等,提升了控制品質。