石墨加熱元件及其加熱控製方法（fǎ）研究

石墨加熱元件（jiàn）及其加熱控製方法研究
石墨加熱元件及其加熱控製方法研究
石墨加熱元件大有作為 隨著高超聲速飛行器、天地往返運（yùn）輸係統以及新一代高馬赫數導彈武器係統的發展,飛（fēi）行器麵臨的熱環境愈加惡（è）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（bú）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（yīn）其（qí）具有加熱率高等特性,被（bèi）廣泛應用於（yú）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（qì）熱試驗領域的應用尚屬起（qǐ）步階段,其加（jiā）熱特性及其（qí）加（jiā）熱控製方法等（děng）設計、使用（yòng）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麵的優化（huà）,並改進其使（shǐ）用過程中的加（jiā）熱控製方法顯得十分必（bì）要。本文通過對（duì）熱試驗（yàn）的概念、原理及方法等方麵的研究,結合仿真和實驗方法,設計並優化了一種高加熱率石墨加熱元件,並對其時間常（cháng）數、結構裝配形式合理性、大（dà）氣環境使用壽命、抗氧化塗層有效性及（jí）加（jiā）熱均勻性等性能進行了實驗研究。受加熱元件（jiàn）裝配形式的影（yǐng）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（háng）了仿真分析（xī）,提出了一種（zhǒng）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製係（xì）統具有大慣性、非線性、時變等特點,實（shí）際使用經驗表明,傳（chuán）統PID控（kòng）製方法對這種加熱控製係（xì）統進行控製,容易出現“過控製”和“欠控製”的現象。

本文對傳統PID控製原理和模糊控製原理進行了係統性研究（jiū）,考慮到兩種控製原理的（de）特點,提出了一種PID控（kòng）製參數自適應（yīng）整定的模糊-PID控製方法。針對加熱控製係統熱慣性大的特點,本文提出了一種對計算機輸出DA值進行超前限幅的控製策（cè）略（luè）。為了驗證控製方法的有效性,本文在使用最小二乘法對加熱控（kòng）製係統進行數學模型（xíng）辨識的基礎上,通過MATLAB軟件對加熱控製係統搭建了PID控製、模（mó）糊-PID控製的仿真程序,並（bìng）進（jìn）行了仿真實驗。實驗結（jié）果表明,與傳統（tǒng）PID控製方法相比（bǐ）,模糊-PID控製可以（yǐ）有效減小控製曲線（xiàn）的超調量,提高了（le）加熱控製（zhì）係統的控製質量。本文（wén）使用LabVIEW軟件以及（jí）加熱（rè）控製相關硬件係統,對PID控（kòng）製（zhì）方法、模糊-PID控製方法和帶有超前限幅控製策略（luè）的模糊-PID控製方法進行了實驗研究。

實驗結果（guǒ）表明,與PID控製方法相比,模糊（hú）-PID控製方（fāng）法的控製曲線可以更好的跟隨設定曲線,控製曲線最大（dà）超調量由10kW/m2減小至4.8kW/m2,然而,控製曲線仍然存在嚴重的振蕩現象。采用了超前限幅控製策（cè）略的模糊-PID控（kòng）製方法的控（kòng）製曲線跟隨性更好,控製曲線的超調量小於1kW/m2。超前限幅控製策略明顯改善了控（kòng）製（zhì）係（xì）統的響應時間（jiān）、超（chāo）調量、穩態性（xìng）能（néng）等,提升了控製品質。