本發(fā)明涉及閉環(huán)流體系統(tǒng)試驗(yàn)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種雙模態(tài)控氧連續(xù)降溫閉環(huán)流體系統(tǒng)及精準(zhǔn)控制方法。

背景技術(shù)：

1、連續(xù)式閉環(huán)流體系統(tǒng)可應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與性能評(píng)估。該閉環(huán)流體系統(tǒng)通過(guò)模擬飛行器于不同飛行狀態(tài)下的氣流狀況，助力研究人員優(yōu)化飛行器外形設(shè)計(jì)、調(diào)整飛行控制策略，以提升飛行器的性能與安全性。

2、通常情況下，連續(xù)式閉環(huán)流體系統(tǒng)的運(yùn)行介質(zhì)以空氣為主。然而，在部分對(duì)試驗(yàn)環(huán)境要求嚴(yán)苛的特殊試驗(yàn)中，氮?dú)狻⒍趸嫉纫部赡鼙徊捎米鳛檫\(yùn)行介質(zhì)。針對(duì)運(yùn)行介質(zhì)為溫度區(qū)間在105k至334k的干燥氮?dú)猓以O(shè)備來(lái)流氧含量處于(1000～3000ppm)范圍，同時(shí)需實(shí)現(xiàn)含氧量精準(zhǔn)控制(≤±15ppm)的需求，目前尚無(wú)符合該要求的設(shè)備。本發(fā)明針對(duì)此任務(wù)對(duì)連續(xù)式閉環(huán)流體系統(tǒng)展開(kāi)研制，設(shè)計(jì)出一種基于伴隨液氮噴注的氧含量穩(wěn)定控制系統(tǒng)及其精準(zhǔn)控制方法，從而達(dá)成設(shè)計(jì)任務(wù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種雙模態(tài)控氧連續(xù)降溫閉環(huán)流體系統(tǒng)及精準(zhǔn)控制方法，能夠完成研制任務(wù)同時(shí)保證閉環(huán)流體設(shè)備內(nèi)含氧量精準(zhǔn)控制。

2、本發(fā)明的實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、一種雙模態(tài)控氧連續(xù)降溫閉環(huán)流體系統(tǒng)，該連續(xù)式降溫閉環(huán)流體系統(tǒng)包括依次連接并形成“回”字形循環(huán)的壓縮機(jī)段、液氮噴注段、換熱段、穩(wěn)定段、測(cè)試艙段、擴(kuò)壓?jiǎn)卧⒀鯂娮⒍魏娃D(zhuǎn)向單元，穩(wěn)定段和測(cè)試艙段之間裝配氧含量檢測(cè)組件，氧噴注段裝配氧噴注組件，氧噴注組件包括：

4、前饋控制管路，前饋控制管路作為氧噴注過(guò)程中的大流量氣路，接收plc的前饋控制指令，前饋控制指令根據(jù)液氮噴注數(shù)據(jù)通過(guò)理想氣體方程結(jié)合修正方程式、或仿真模式值計(jì)算得到的氧分子需求量，自動(dòng)伴隨液氮噴注；

5、反饋控制管路，反饋控制管路作為氧氣噴注過(guò)程中的小流量氣路，接收pid反饋控制指令，反饋控制指令通過(guò)氧含量測(cè)量組件獲取的實(shí)時(shí)氧含量數(shù)據(jù)以及液氮噴注數(shù)據(jù)計(jì)算得到的補(bǔ)氧分子需求量。

6、在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，上述前饋控制管路包括依次連接的第一壓力溫度傳感器、第一氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、第一渦街流量計(jì)、第一氣動(dòng)閥和第二壓力溫度傳感器、氧噴注耙的其中一個(gè)輸入端，第一氣動(dòng)閥實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋至pid控制端。

7、在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，上述反饋控制管路包括三路并行設(shè)置的大、中、小補(bǔ)氧管路，大補(bǔ)氧管路包括依次連接的第二氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、第二渦街流量計(jì)和第二氣動(dòng)閥；中補(bǔ)氧管路包括依次連接的第三氣動(dòng)閥、大質(zhì)量流量控制閥；小補(bǔ)氧管路包括依次連接的第四氣動(dòng)閥和小質(zhì)量流量控制閥，第二氣動(dòng)閥、大/小質(zhì)量流量控制閥實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋至pid控制端，大、中、小補(bǔ)氧管路的輸出端匯集到氧噴注耙的另一個(gè)輸入端。

8、在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，上述氧噴注耙包括：

9、氧注入耙前段，氧注入耙前段由依次連接的圓柱體、過(guò)渡體和扁圓體組成，扁圓體為截面為“操場(chǎng)狀”的扁圓體結(jié)構(gòu)，通過(guò)過(guò)渡體從圓柱體像扁圓體圓滑過(guò)渡，圓柱體、過(guò)渡體和扁圓體的內(nèi)部氣流管道截面面積相同，圓柱體的另一端裝配供氣管對(duì)接法蘭，扁圓體的另一端上裝配閉環(huán)流體系統(tǒng)對(duì)接法蘭；

10、氧注入耙后段，氧注入耙后段為截面為“操場(chǎng)狀”的扁圓板體，氧注入耙后段的兩弧形邊中線上設(shè)置有等間距分布的排氣孔，氧注入耙后段的內(nèi)部氣流管道截面與扁圓體的內(nèi)部氣流管道截面相同。

11、在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，上述氧噴注組件之前還連接有氣源預(yù)處理組件，氣源預(yù)處理組件包括：

12、氧注入管路，氧注入管路包括空氣接入端口，和/或，氧氣接入端口；

13、干燥過(guò)濾管路，連接每一條氧注入管路的輸出端；

14、露點(diǎn)檢測(cè)管路，連接干燥過(guò)濾管路輸出端的旁支管路，露點(diǎn)檢測(cè)管路包括依次連接的支管氣動(dòng)閥、預(yù)處理器和露點(diǎn)儀，保證氣體露點(diǎn)達(dá)到低于-70℃；

15、自動(dòng)壓力/流量調(diào)節(jié)管路，連接干燥過(guò)濾管路的主管路，自動(dòng)壓力/流量調(diào)節(jié)管路每一條管路上均設(shè)置有自動(dòng)壓力流量調(diào)節(jié)閥，自動(dòng)壓力/流量調(diào)節(jié)管路的匯流管路上同時(shí)裝配有安全閥。

16、在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，上述氧含量檢測(cè)組件至少設(shè)置有兩組，其中一組裝配于穩(wěn)定段的后端，另一組裝配于測(cè)試艙段的后端。

17、在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，上述反饋控制管路的參數(shù)配置為：

18、大補(bǔ)氧管路，通徑dn50，流量范圍200-500nm3/h，控制精度±2％；

19、中補(bǔ)氧管路，通徑dn25，流量范圍50-200nm3/h，控制精度±0.5％；

20、小補(bǔ)氧管路，通徑dn10，流量范圍5-50nm3/h，控制精度±0.1％。

21、一種雙模態(tài)控氧連續(xù)降溫閉環(huán)流體系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制方法，包括前述任一所述的連續(xù)式降溫閉環(huán)流體系統(tǒng)，該精準(zhǔn)控制方法包括如下步驟：

22、讀取液氮噴注數(shù)據(jù)，用于實(shí)時(shí)獲取液氮噴注段的液氮噴注流量參數(shù)及噴注時(shí)間參數(shù)；

23、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氧含量，通過(guò)配置在閉環(huán)流體設(shè)備系統(tǒng)中的氧含量檢測(cè)組件，用于采集噴注前設(shè)定時(shí)間區(qū)間的氧含量基準(zhǔn)值；

24、當(dāng)液氮噴注流量低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，根據(jù)液氮實(shí)時(shí)噴注流量按比例計(jì)算空氣補(bǔ)償流量，并控制氧噴注組件同步啟動(dòng)噴注；

25、當(dāng)液氮噴注流量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，記錄液氮總噴注量，氧噴注組件以最大供氣流量噴注含氧氣流直至累計(jì)噴注量達(dá)到與液氮總噴注量相對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償量。

26、在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，上述氧含量基準(zhǔn)值的設(shè)定時(shí)間區(qū)間為液氮噴注前2-10秒的滑動(dòng)窗口。

27、在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，上述預(yù)設(shè)閾值為氧噴注組件最大流量的80％-95％。

28、本發(fā)明實(shí)施例的有益效果是：

29、1、雙模態(tài)精準(zhǔn)控制能力：通過(guò)前饋控制管路(大流量)與反饋控制管路(小流量)的協(xié)同作用，既實(shí)現(xiàn)了液氮噴注伴隨的快速氧補(bǔ)償響應(yīng)(前饋控制響應(yīng)時(shí)間≤0.5秒)，又通過(guò)pid閉環(huán)調(diào)節(jié)保障了氧含量控制精度(±5ppm)，解決了傳統(tǒng)單一控制模式無(wú)法兼顧快速性與精確性的技術(shù)矛盾；

30、2、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效率提升：前饋控制基于液氮噴注數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算氧分子需求，采用理想氣體方程結(jié)合cfd仿真修正系數(shù)(修正誤差≤3％)，使補(bǔ)償動(dòng)作提前于氧含量檢測(cè)反饋信號(hào)，將系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間縮短40％-60％，特別適用于高速降溫過(guò)程(降溫速率≥50℃/min)的瞬態(tài)控制；

31、3、抗干擾能力強(qiáng)化：前饋-反饋復(fù)合控制算法中嵌入液氮噴注流量預(yù)測(cè)模型(arima時(shí)間序列分析)，可提前3-5秒預(yù)判系統(tǒng)氧含量波動(dòng)趨勢(shì)，結(jié)合實(shí)時(shí)pid參數(shù)整定(ziegler-nichols優(yōu)化法)，使系統(tǒng)在液氮噴注流量突變(≥30％額定值/s)時(shí)仍保持氧含量波動(dòng)幅度≤±10ppm。

32、4、多工況適應(yīng)性增強(qiáng)：通過(guò)仿真模式值數(shù)據(jù)庫(kù)(覆蓋溫度105k～334k)與實(shí)時(shí)修正方程的動(dòng)態(tài)切換，使系統(tǒng)在極端試驗(yàn)條件下仍能維持控制精度，適應(yīng)航空航天材料測(cè)試的寬域環(huán)境需求(跨溫區(qū)測(cè)試切換時(shí)間≤5min)。

33、5、控制延遲補(bǔ)償創(chuàng)新：在管路設(shè)計(jì)中引入傳輸延遲計(jì)算模塊(基于管路容積與流速的實(shí)時(shí)測(cè)算)，對(duì)前饋控制指令進(jìn)行時(shí)間相位補(bǔ)償(補(bǔ)償精度±0.1s)，消除氣體傳輸物理延遲帶來(lái)的超調(diào)現(xiàn)象，使系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)量控制在5％以內(nèi)。