基于PLC技术的防热结构隔热性能实验控制平台的制作方法

本发明涉及一种超高温石英灯红外辐射式气动热环境实验控制平台，属于航天航空气动热实验领域。

背景技术：

1、随着飞行器设计飞行速度的大幅度提高，由气动加热产生的高温热环境变得越来越严酷。由气动热产生的高温，会降低材料的强度极限和飞行器结构的承载能力，是飞行器材料产生热变形，破坏部件的气动外形并影响安全飞行。为确保高速飞行器的安全，确认飞行器材料是否能经得起高速飞行时所产生的热冲击及高温热应力破坏，必须对高速飞行器所使用材料与结构进行静、动态的气动热模拟实验。

2、同时随着空间技术的不断发展，航天器材料研究成为其中的关键技术之一。航天器在穿越大气层内高速飞行时，表面温度的变化可达每秒数十度甚至上百度。整个飞行过程中表面温度场和热流场的变化十分剧烈。处于受热飞行状态下的航天器还可能做突然加速、爬升、转向、变轨等高度机动工作，使得材料和结构强度与温度、热流、载荷及时间的关系变得十分复杂。为了准确模拟航天器结构在高速飞行时的气动热过程，必须对航天器所使用材料与结构进行地面静、动态的气动热模拟实验。

3、石英灯辐射加热器的热惯性小，电控性能优良，非常适合于高速变化的瞬态气动加热模拟。同时，石英灯辐射加热器还具有发热功率大，体积小，可组成不同尺寸和形状加热装置的优点；对于外形结构复杂的实验件，具有较好的适应能力，是气动加热模拟实验理想的辐射加热源。

4、石英灯红外辐射式加热是航空航天领域防热试验的重要手段，该试验对于一定流场中热流和温度的跟踪要求快速，精确，这样试验才具有可参考意义。传统方案很难构建一个智能，快速的试验平台实现试验数据的要求，具有以下局限性。

5、1、不能实现温度和热流的快速跟踪，具有时滞性，达不到一定时间内的温升斜率，满足不了特定热防护试验的热结构考核需求；

6、2、跟踪精度不准确，超调量大，吻合度差，造成试验数据参考意义不大。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了基于plc技术的防热结构隔热性能实验控制平台，通过热电偶采集被试件表面温度作为实验平台的被控量，采用前馈+反馈复合控制策略实现了升温速率非线性热环境的准确追踪，本发明能够为构建更高功率，更大尺寸石英灯辐射加热试验平台提供了研发和运行经验，对航空航天领域的气动热防护试验具有重要意义。

2、本发明的技术解决方案是：

3、基于plc技术的防热结构隔热性能实验控制平台，包括：远程计算机、本地控制台、交换机、cpu模块、温度采集模块、直流电源功率控制器、温度隔离器和热电偶；

4、所述远程计算机和本地控制台与交换机相连，交换机与cpu模块和温度采集模块相连，所述cpu模块与直流电源功率控制器相连，所述温度采集模块与温度隔离器相连，所述温度隔离器与热电偶相连；

5、热电偶用于采集防热材料被试件的表面温度，并转化成电信号传递给温度隔离器；

6、温度隔离器用于将热电偶发送的电信号转换为数字量，将数字量作为反馈被控量通过温度采集模块传递给cpu模块；

7、cpu模块接收温度采集模块转发的反馈被控量，并通过交换机接收远程计算机或本地控制台的设定温度数据作为给定值，cpu模块根据给定值和反馈被控量，计算出直流电源需要输出的功率值并输出给直流电源功率控制器；

8、直流电源功率控制器将cpu模块发送的直流电源需要输出的功率值转换成晶闸管触发脉冲信号，发送给外部晶闸管直流电源，通过调节外部晶闸管直流电源输出功率的大小，从而改变防热材料被试件所处实验环境的温度。

9、优选地，远程计算机和本地控制台均为工业计算机，内部安装wincc监控和数据采集软件；远程计算机和本地控制台通过wincc监控和数据采集软件的可视化窗口将设定温度数据生成曲线和记录表格。

10、优选地，温度隔离器为热电偶信号隔离器。

11、优选地，温度隔离器选用天拓四方公司的ts5751。

12、优选地，cpu模块通过rs485接口，采用modbus通讯协议将直流电源需要输出的功率值下发给直流电源功率控制器。

13、优选地，cpu模块选用由西门子公司s7-1500系列plc的cpu模块。

14、优选地，交换机采用工业以太网与cpu模块相连接。

15、本发明与现有技术相比的优点在于：

16、1)本发明cpu模块根据给定值和反馈被控量，计算出直流电源需要输出的功率值，能够实现升温速率非线性热环境的准确追踪，为高温、高热流、高冲击率的热强度实验提供了必要的实验条件。

17、2)本发明cpu模块通过备板总线与温度采集模块相连接，采用工业通信总线技术，减少了信号电量转换次数，极大程度减少了信号的失真和线路干扰，能够提高实验数据的准确性。

技术特征：

1.基于plc技术的防热结构隔热性能实验控制平台，其特征在于，包括：远程计算机(1)、本地控制台(2)、交换机(3)、cpu模块(4)、温度采集模块(5)、直流电源功率控制器(6)、温度隔离器(7)和热电偶(8)；

2.根据权利要求1所述的基于plc技术的防热结构隔热性能实验控制平台，其特征在于，远程计算机(1)和本地控制台(2)均为工业计算机，内部安装wincc监控和数据采集软件；远程计算机(1)和本地控制台(2)通过wincc监控和数据采集软件的可视化窗口将设定温度数据生成曲线和记录表格。

3.根据权利要求1所述的基于plc技术的防热结构隔热性能实验控制平台，其特征在于，温度隔离器(7)为热电偶信号隔离器。

4.根据权利要求3所述的基于plc技术的防热结构隔热性能实验控制平台，其特征在于，温度隔离器(7)选用天拓四方公司的ts5751。

5.根据权利要求1～4任意之一所述的基于plc技术的防热结构隔热性能实验控制平台，其特征在于，cpu模块(4)通过rs485接口，采用modbus通讯协议将直流电源需要输出的功率值下发给直流电源功率控制器(6)。

6.根据权利要求5所述的基于plc技术的防热结构隔热性能实验控制平台，其特征在于，cpu模块(4)选用由西门子公司s7-1500系列plc的cpu模块。

7.根据权利要求6所述的基于plc技术的防热结构隔热性能实验控制平台，其特征在于，交换机(3)采用工业以太网与cpu模块(4)相连接。

技术总结基于PLC技术的防热结构隔热性能实验控制平台，包括：远程计算机、本地控制台、交换机、CPU模块、温度采集模块、直流电源功率控制器、温度隔离器和热电偶；所述远程计算机和本地控制台与交换机相连，交换机与CPU模块和温度采集模块相连，所述CPU模块与直流电源功率控制器相连，所述温度采集模块与温度隔离器相连，所述温度隔离器与热电偶相连。本发明可以应用于石英灯气动环境下辐射加热的温度跟踪控制，对航空航天气动热环境模拟实验技术具有重要意义。技术研发人员：马建平,徐克峰,李飞,杨力,吴照,周磊,孙键雄受保护的技术使用者：中国航天空气动力技术研究院技术研发日：技术公布日：2025/1/6