解决大滞后系统快速响应问题的风洞总温控制装置及方法与流程

本发明属于高速风洞试验设备，具体涉及一种解决大滞后系统快速响应问题的风洞总温控制装置及方法。

背景技术：

1、大型高速风洞的气流温度是影响试验数据的重要参数，而某连续式风洞大型循环冷却水与板翅式换热器相结合的系统具有典型的滞后性，如何解决大滞后系统快速响应与多变量控制难题，实现在规定时间内、给定工况下风洞总温的稳定性控制是关键技术点之一。

2、当前，亟需发展一种解决大滞后系统快速响应问题的风洞总温控制装置及方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的一个技术问题是提供一种解决大滞后系统快速响应问题的风洞总温控制装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种解决大滞后系统快速响应问题的风洞总温控制方法，用以克服现有技术的缺陷。

2、本发明的解决大滞后系统快速响应问题的风洞总温控制装置用于大型高速风洞，按照风洞气流的流动方向，大型高速风洞包括闭环连接的试验段、主压缩机和主换热器，控制对象是风洞总温t0；其特征在于，所述的风洞总温控制装置包括板式换热器、闭式水泵、开式水池、冷却塔和开式水泵；板式换热器的前端为风洞端，板式换热器的后端为冷却端；

3、主换热器、板式换热器的风洞端和闭式水泵闭环连接，组成第三级调节系统；闭式水温t1为板式换热器的风洞端与闭式水泵之间的管路温度，闭式水流量q1为闭式水泵与主换热器之间的水流量；

4、板式换热器的冷却端、冷却塔、开式水池和开式水泵闭环连接，组成第二级调节系统；开式水温t2为开式水池和开式水泵之间的管路温度，开式水流量q2为开式水泵与板式换热器的冷却端之间的水流量；

5、冷却塔与开式水池进行独立的热交换，组成第一级调节系统。

6、本发明的解决大滞后系统快速响应问题的风洞总温控制方法，包括以下步骤：

7、s10.第一级主动前置控制；

8、s20.第二级主动前置控制；

9、完成开式水温t2和闭式水温t1的稳定控制，达到t2≤30℃、t1≤32℃；

10、s30.第三级闭式精调控制；

11、完成风洞总温t0的稳定控制，达到大型高速风洞气流总温波动值△t0≤1k的技术指标。

12、进一步地，所述的s10的第一级主动前置控制包括以下步骤：

13、s11.根据风洞运行工况计算出风洞热负荷h；

14、s12.根据热负荷h设定冷却塔的开启台数n3；

15、预先设定冷却塔的开启台数n3对应的热负荷常数序列：h0、h1、h2、h3、h4；当h0＜h≤h1，n3=1；当h1＜h≤h2，n3=2；当h2＜h≤h3，n3=3；当h3＜h≤h4，n3=4；当h＞h4，n3=5；

16、s13.根据热负荷h和冷却塔的开启台数n3，计算冷却塔的运行频率f3：

17、f3=a3*（h/n3）^2+b3*（h/n3）+c3，式中a3、b3、c3为预先设定的常数。

18、进一步地，所述的s20的第二级主动前置控制包括以下步骤：

19、s21.根据热负荷h计算开式水流量q2：

20、q2=a2*h^2+b2*h+c2，式中a2、b2、c2为预先设定的常数；

21、s22.根据开式水流量q2，确定开式水泵的开启台数n2；

22、预先设定开式水泵的开启台数n2对应的开式水流量常数序列：q20、q21、q22、q23、q24；当q20＜q2≤q21，n2=1；当q21＜q2≤q22，n2=2；当q22＜q2≤q23，n2=3；当q23＜q2≤q24，n2=4；

23、s23.根据开式水流量q2、开式水泵的开启台数n2、开式水泵所需扬程和开式水泵的特性曲线计算开式水泵的开启频率f2。

24、进一步地，所述的s30的第三级闭式精调控制包括以下步骤：

25、s31.根据热负荷h计算闭式水流量q1：

26、q1=a1*h^2+b1*h+c1，式中a1、b1、c1为预先设定的常数；

27、s32.根据闭式水流量q1设定闭式水泵的开启台数n1；

28、预先设定闭式水泵的开启台数n1对应的闭式水流量常数序列：q10、q11、q12；当q10＜q1*1.1≤q11，n1=2；当q11＜q1*1.1≤q12，n1=3；其中，1.1为安全系数；

29、s33.根据闭式水流量q1、闭式水泵的开启台数n1、水泵特性曲线计算闭式水泵的开启频率f1；

30、s34.通过风洞总温t0的变化斜率m判断风洞总温t0是否达到稳定，当m≤x℃/min时，认为风洞总温t0达到稳定；其中，x为预先设定的常数；否则返回s31，直至风洞总温t0达到稳定。

31、本发明的解决大滞后系统快速响应问题的风洞总温控制方法共涉及三级控制：

32、（1）一级主动前置，主要基于风洞热负荷h，通过控制冷却塔的开启台数n3和开启频率f3，对开式水温t2进行稳定控制；

33、（2）二级主动前置，主要基于风洞热负荷h和开式水温t2，通过控制开式水泵的开启台数n2和开启频率f2，对闭式水温t1进行稳定控制；

34、（3）三级闭式精调，主要基于风洞热负荷h和闭式水温t1，通过控制闭式水泵的开启台数n1和开启频率f1，实现对风洞总温t0的精确控制。

35、前两级主动前置可以实现对开式水温t2和闭式水温t1的稳定控制，确保t2≤30℃、t1≤32℃，这是风洞总温t0能够稳定控制的基础和前提，可以有效解决大滞后系统响应慢的问题。第三级闭环精调，因为闭式水流量q1反应迅速、响应快，通过调节闭式水泵频率f1调节闭式水流量q1，能够实现对风洞总温t0的快速精确控制。

36、综上所述，本发明的解决大滞后系统快速响应问题的风洞总温控制装置及方法，采用双级主动前置与第三级闭环精调相结合的方式，通过波动控制，实现了在给定工况下，某大型高速风洞气流总温波动值△t0≤1k的技术指标。

技术特征：

1.解决大滞后系统快速响应问题的风洞总温控制装置，风洞总温控制装置用于大型高速风洞，按照风洞气流的流动方向，大型高速风洞包括闭环连接的试验段（1）、主压缩机（2）和主换热器（3），控制对象是风洞总温t0；其特征在于，所述的风洞总温控制装置包括板式换热器（4）、闭式水泵（5）、开式水池（6）、冷却塔（7）和开式水泵（8）；板式换热器（4）的前端为风洞端，板式换热器（4）的后端为冷却端；

2.解决大滞后系统快速响应问题的风洞总温控制方法，其用于权利要求1所述的解决大滞后系统快速响应问题的风洞总温控制装置，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的解决大滞后系统快速响应问题的风洞总温控制方法，其特征在于，所述的s10的第一级主动前置控制包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的解决大滞后系统快速响应问题的风洞总温控制方法，其特征在于，所述的s20的第二级主动前置控制包括以下步骤：

5.根据权利要求3所述的解决大滞后系统快速响应问题的风洞总温控制方法，其特征在于，所述的s30的第三级闭式精调控制包括以下步骤：

技术总结本发明属于高速风洞试验设备技术领域，公开了一种解决大滞后系统快速响应问题的风洞总温控制装置及方法。风洞总温控制装置包括板式换热器、闭式水泵、开式水池、冷却塔和开式水泵；板式换热器的前端为风洞端，后端为冷却端。风洞总温控制方法包括一级主动前置、二级主动前置和三级闭环精调。一级主动前置通过控制冷却塔的开启台数和开启频率，实现对开式水温的稳定控制；二级主动前置通过控制开式水泵的开启台数和开启频率，实现对闭式水温的稳定控制；三级闭环精调通过控制闭式水泵的开启台数和开启频率，实现对风洞总温的精确控制。该风洞总温控制装置及方法适用于解决大滞后系统快速响应问题，能够实现对大型风洞总温稳定与精确控制。技术研发人员：孙常新,顾海涛,李增军,尹永涛,孟少飞,庞旭东,崔万坪受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/23