基于智能溫控調節(jié)系統(tǒng)的大氣湍流模擬裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種基于智能溫控調節(jié)系統(tǒng)的氣體大氣湍流模擬裝置，利用冷熱氣體對流產(chǎn)生湍流，真實地模擬出大氣湍流一些特性，以達到定量地描述大氣湍流中的部分參數(shù)；采用內(nèi)嵌是湍流發(fā)生倉，多區(qū)域溫度控制系統(tǒng)，抑制了弱湍流、不穩(wěn)定湍流、未完全發(fā)展的湍流和邊界湍流的出現(xiàn)；加入小型的制冷循環(huán)系統(tǒng)，使其在溫差不變的情況下，減小加熱板功率，利于縮短大幅度調整溫度時的反應時間；獨特的風散熱系統(tǒng)，縮短大幅度調整溫度時的反應時間。本發(fā)明裝置控制調節(jié)大氣相干長度為1~40cm，湍流外尺度可達20cm，湍流內(nèi)尺度可達8cm，湍流強度的穩(wěn)定性可達15%，溫度調節(jié)范圍在10—200℃，溫度調節(jié)精度為
，平均兩組實驗溫度的自整定時間為5分鐘。克服了傳統(tǒng)PID控制受其控制參數(shù)整定的限制，對于具有非線性、大滯后的溫度控制對象具有滿意的控制效果。
【專利說明】基于智能溫控調節(jié)系統(tǒng)的大氣溫流模擬裝置
[0001]
【技術領域】： 本發(fā)明是一種基于智能溫控調節(jié)系統(tǒng)的大氣端流模擬裝置，設及大氣物理和大氣激光 傳輸研究領域。
[0002]
【背景技術】： 大氣由于溫度場對流和傳導的復雜作用使大氣流動成為"端流"，大氣端流會造成大氣 密度或溫度的漲落，由此引起光波折射率漲落，從而導致光波的相位和振幅的隨機變化。不 同效應對不同光學系統(tǒng)的影響不同，有的甚至限制光學系統(tǒng)的性能。
[0003] 利用大氣對激光影響的規(guī)律，激光成為探測大氣狀態(tài)的有效工具，同時激光通信 也受大氣制約。激光在端流大氣中傳輸?shù)睦碚撆c大氣端流是密切相關的，由于對大氣端流 基本機理的研究仍在不斷發(fā)展中，再加上隨機激光場的數(shù)學處理和相干性變化規(guī)律的復雜 性，致使激光在大氣中傳輸?shù)脑S多問題仍不清楚，理論與實驗測量相差甚遠，新的效應不斷 發(fā)現(xiàn)。因此研究大氣端流既有理論意義也有重要的應用價值。
[0004] 室內(nèi)半實物模擬裝置是大氣端流研究的重要手段之一，具有穩(wěn)定性好，重復性好， 易控制等優(yōu)點。為了能反映實際大氣端流的規(guī)律，室內(nèi)半實物模擬裝置應滿足流動力學條 件、熱力相似條件、動力相似條件、大氣層結相似條件等。安徽光機所研制了端流模擬池，端 流模擬池的體積為1.0X0. 5X0. 5m，介質為去離子水，底部通過油進行二次加熱，上表面 由循環(huán)水冷卻。自動控制系統(tǒng)控制兩面溫差，端流發(fā)展穩(wěn)定后的溫差起伏范圍約±rc。 端流池橫斷面中屯、部分均勻區(qū)域為0. 2X0. 2m2。
[0005] 國內(nèi)外現(xiàn)有的端流模擬池所用的工作物質通常為水，模擬閃爍頻率較低20-30HZ， 并由于溫度控制系統(tǒng)的誤差較大1度，實時性不佳，溫度穩(wěn)定時間需大約10分鐘，本發(fā)明 針對上述問題改進了端流發(fā)生池的結構，提出了基于智能溫控調節(jié)系統(tǒng)的大氣端流模擬裝 置。
[0006] 傳統(tǒng)PID控制受其控制參數(shù)整定的限制，對于具有非線性、大滯后的溫度控制對 象難W達到滿意的控制效果。
[0007]
【發(fā)明內(nèi)容】
： 本發(fā)明提出了一種基于智能溫控調節(jié)系統(tǒng)的大氣端流模擬裝置，解決了傳統(tǒng)PID控制 受其控制參數(shù)整定的限制，對于具有非線性、大滯后的溫度控制對象難W達到滿意的控制 效果，更加真實地模擬大氣端流，提高閃爍頻率、提高溫度控制的精度，降低溫度自整定時 間。
[000引本發(fā)明提供的一種基于智能溫控調節(jié)系統(tǒng)的大氣端流模擬裝置，其特征在于： 由外部總控系統(tǒng)、池體、制冷循環(huán)系統(tǒng)、均勻加熱系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)、模糊 PID溫度控制系統(tǒng)組成；其中，池體由端流發(fā)生倉、溫度補償附室、窗口透鏡，底部支架構 成，池體中端流發(fā)生倉位于溫度補償附室內(nèi)，窗口透鏡分別放在端流發(fā)生倉、溫度補償附室 的兩端中屯、位置，底部支架放在溫度補償附室下面；制冷循環(huán)系統(tǒng)由雙循環(huán)式制冷管、審U 冷液流入口、制冷液流出口、空氣壓縮制冷裝置構成，雙循環(huán)式制冷管位于端流發(fā)生倉的頂 部，雙循環(huán)式制冷管連接制冷液流入口和制冷液流出口，空氣壓縮制冷裝置接制冷液流入 口和制冷液流出口，空氣壓縮制冷裝置工作產(chǎn)生的冷空氣經(jīng)制冷液流入口進入雙循環(huán)式制 冷管，經(jīng)雙循環(huán)式制冷管后由制冷液流出口流入空氣壓縮制冷裝置，形成制冷效果；均勻加 熱系統(tǒng)由主加熱板、附加熱板和平衡溫度加熱板構成，附加熱板、主加熱板、平衡溫度加熱 板并排相連接，位于端流發(fā)生倉的底部；散熱系統(tǒng)由加熱板散熱風扇、溫度補償附室散熱風 扇構成，加熱板散熱風扇位于均勻加熱系統(tǒng)的下面，溫度補償附室散熱風扇位于溫度補償 附室外壁上；溫度采集系統(tǒng)由端流發(fā)生主倉室溫、溫度平衡附倉室溫、冷端溫度、主加熱板 溫度、附加熱板溫度構成，分別位于在池體的端流發(fā)生主倉室、溫度平衡附倉室不同位置， 池體頂部，池體底部主加熱板和附加熱板中；模糊PID溫度控制系統(tǒng)位于外部總控系統(tǒng)內(nèi)。
[0009] 本發(fā)明模擬裝置的基本工作流程為： 在外部總控系統(tǒng)輸入模擬的端流強度，設定大氣端流相干長度的值。模糊PID溫度控 制系統(tǒng)自動算出主加熱板、附加熱板和平衡溫度加熱板的溫度值，輸出調制控制信號，加熱 板開始工作。同時，空氣壓縮制冷裝置工作制冷，制冷液由制制冷液流入口流入雙循環(huán)式制 冷管，再由制冷液流出口回到制冷壓縮機中，循環(huán)制冷并實時受外部總控系統(tǒng)控制自適應 地調整溫度值。同時，溫度采集系統(tǒng)實時采集溫度并提供反饋數(shù)據(jù)給模糊PID溫度控制系 統(tǒng)，經(jīng)調制再次輸出控制信號，構成溫度反饋閉環(huán)控制循環(huán)，獲得穩(wěn)定的大氣端流。
[0010] 大氣端流的相干長度穩(wěn)定后，實驗人員可W在端流池兩端進行光學實驗，激光由 池體一端的窗口透鏡穿過池體從另一端的窗口透鏡射出，到達端流池外的光學接收裝置。 一組實驗結束后，加熱板散熱風扇和溫度補償附室散熱風扇開始工作降溫處理。
[0011] 本發(fā)明的積極效果在于；利用冷熱氣體對流產(chǎn)生端流，真實地模擬出大氣端 流一些特性，W達到定量地描述大氣端流中的部分參數(shù)；采用內(nèi)嵌是端流發(fā)生倉，多 區(qū)域溫度控制系統(tǒng)，抑制了弱端流、不穩(wěn)定端流、未完全發(fā)展的端流和邊界端流的出 現(xiàn)；加入小型的制冷循環(huán)系統(tǒng)，使其在溫差不變的情況下，減小加熱板功率，利于縮短 大幅度調整溫度時的反應時間；獨特的風散熱系統(tǒng)，縮短大幅度調整溫度時的反應時 間。本發(fā)明裝置控制調節(jié)大氣相干長度為1?40畑1，端流外尺度可達20畑1，端流內(nèi)尺度 可達8cm，端流強度的穩(wěn)定性可達15%，溫度調節(jié)范圍在10- 200°C，溫度調節(jié)精度為 ±化5(：0，平均兩組實驗溫度的自整定時間為5分鐘?？朔藗鹘y(tǒng)PID控制受其控制參數(shù)整 定的限制，對于具有非線性、大滯后的溫度控制對象具有滿意的控制效果。
[001引【專利附圖】
【附圖說明】： 圖1為本發(fā)明總體結構示意圖； 圖2為本發(fā)明裝置結構示意圖； 圖3為本發(fā)明裝置俯視示意圖； 圖4為本發(fā)明PID控制和模糊控制相結合的溫控算法控制框圖； 圖中：1、外部總控系統(tǒng)；2、池體；3、制冷循環(huán)系統(tǒng)；4、均勻加熱系統(tǒng)；5、散熱系統(tǒng)；6、 溫度采集系統(tǒng)；7、模糊PID溫度控制系統(tǒng)；8、端流發(fā)生倉；9、溫度補償附室；10、窗口透鏡； 11、底部支架；12、雙循環(huán)式制冷管；13、制冷液流入口；14、制冷液流出口；15、空氣壓縮制 冷裝置；16、主加熱板；17、附加熱板；18、平衡溫度加熱板；19、加熱板散熱風扇；20、溫度補 償附室散熱風扇；21、端流發(fā)生主倉室溫；22、溫度平衡附倉室溫；23、冷端溫度；24、加熱板 溫度；25、附加熱板溫度。
[0013]
【具體實施方式】： 通過w下實施例進一步舉例描述本發(fā)明，并不w任何方式限制本發(fā)明，在不背離本發(fā) 明的技術解決方案的前提下，對本發(fā)明所作的本領域普通技術人員容易實現(xiàn)的任何改動或 改變都將落入本發(fā)明的權利要求范圍之內(nèi)。
[0014] 實施例1 根據(jù)圖1?圖3所示，本發(fā)明裝置由外部總控系統(tǒng)1、池體2、制冷循環(huán)系統(tǒng)3、均勻加熱 系統(tǒng)4、散熱系統(tǒng)5、溫度采集系統(tǒng)6、模糊PID溫度控制系統(tǒng)7組成；其中，池體2由端流發(fā) 生倉8、溫度補償附室9、窗口透鏡10,底部支架11構成，池體2中端流發(fā)生倉8位于溫度補 償附室9內(nèi)，窗口透鏡10分別放在端流發(fā)生倉8、溫度補償附室9的兩端中屯、位置，底部支 架11放在溫度補償附室9下面；端流池體2長2. 7m，寬1. 6m，高0. 5m。為侶型材構造，在 池內(nèi)嵌入端流發(fā)生倉8,長2m，寬Im，高0. 4m。在端流池體2和池內(nèi)嵌入端流發(fā)生倉8的兩 端中屯、軸各有一個與200胃的窗口透鏡10的通光口徑。供自適應光學補償實驗和其他光 學實驗使用。
[0015] 制冷循環(huán)系統(tǒng)3由雙循環(huán)式制冷管12、制冷液流入口 13、制冷液流出口 14、空氣壓 縮制冷裝置15構成，雙循環(huán)式制冷管12位于端流發(fā)生倉8的頂部，雙循環(huán)式制冷管12連 接制冷液流入口 13和制冷液流出口 14,空氣壓縮制冷裝置15連接制冷液流入口 13和制冷 液流出口 14,空氣壓縮制冷裝置15工作產(chǎn)生的冷空氣經(jīng)制冷液流入口 13進入雙循環(huán)式制 冷管12,經(jīng)雙循環(huán)式制冷管12后由制冷液流出口 14流入空氣壓縮制冷裝置15,形成制冷 效果；所述的基于智能溫控調節(jié)系統(tǒng)的大氣端流模擬裝置，其特征在于，端流池外部連接的 空氣壓縮制冷裝置15提供精確穩(wěn)定的制冷溫度，獨特的雙循環(huán)式制冷管緊貼端流發(fā)生倉 頂部，制冷循環(huán)系統(tǒng)3精確控制溫度范圍在-25 C'D - 10 CV誤差在0. 1 CD - 0. 7 C'n。
[0016] 均勻加熱系統(tǒng)4由主加熱板16、附加熱板17和平衡溫度加熱板18構成，附加熱板 17、主加熱板16、平衡溫度加熱板18并排相連接，位于端流發(fā)生倉8的底部；所述的基于智 能溫控調節(jié)系統(tǒng)的大氣端流模擬裝置，其特征在于，端流發(fā)生倉的外部是用于溫度補償?shù)?溫度補償附室9,附室底部鋪有云母加熱板。抑制了極弱端流、不穩(wěn)定端流、未完全發(fā)展的端 流和邊界端流的出現(xiàn)。
[0017] 散熱系統(tǒng)5由加熱板散熱風扇19、溫度補償附室散熱風扇20構成，加熱板散熱風 扇19位于均勻加熱系統(tǒng)4的下面，溫度補償附室散熱風扇20位于溫度補償附室9外壁上； 所述的基于智能溫控調節(jié)系統(tǒng)的大氣端流模擬裝置，其特征在于，在池體的側面和底部有 輔助溫度控制的散熱系統(tǒng)5,用于對溫度補償附室9和均勻加熱系統(tǒng)4的溫度進行降溫處 理，縮短兩組實驗的溫度自整定的時間。
[0018] 溫度采集系統(tǒng)6由端流發(fā)生主倉室溫21、溫度平衡附倉室溫22、冷端溫度23、主加 熱板溫度24、附加熱板溫度25構成，分別位于在池體的端流發(fā)生主倉室、溫度平衡附倉室 不同位置，池體頂部，池體底部主加熱板和附加熱板中；所述的基于智能溫控調節(jié)系統(tǒng)的大 氣端流模擬裝置，其特征在于，溫度采集系統(tǒng)6采用銷電阻溫度傳感器，在溫度反饋閉環(huán)控 制中為模糊PID溫度控制系統(tǒng)7提供數(shù)據(jù)。銷電阻具有測量范圍寬、穩(wěn)定性好、示值復現(xiàn) 性高和耐氧化等優(yōu)點，常被用來作為-100?630 °C范圍的國際標準溫度計，由銷電阻 的阻值和溫度之間存在非線性關系（尤其在高溫段更為明顯），在檢測數(shù)據(jù)進行非線性校 正是高精度測溫不可缺少的環(huán)節(jié)。
[0019] 模糊PID溫度控制系統(tǒng)7位于外部總控系統(tǒng)1內(nèi)。圖4所示為本發(fā)明模糊PID溫 度控制系統(tǒng)7的模糊自適應PID溫度控制框圖。溫度采集系統(tǒng)6獲得各個部分的溫度輸入 到模糊PID溫度控制系統(tǒng)7,模糊PID溫度控制系統(tǒng)7開始模糊推理，計算出所需加熱的功 率，產(chǎn)生控制信號使PID調節(jié)器調整加熱參數(shù)進行再加熱，直至溫度達到所需。所述的基于 智能溫控調節(jié)系統(tǒng)的大氣端流模擬裝置，其特征在于，利用模糊PID溫度控制系統(tǒng)7控制均 勻加熱系統(tǒng)4不同區(qū)域的溫度，發(fā)生倉四周由厚度為150mm的石棉板包圍保溫。抑制極弱 端流、不穩(wěn)定端流、未完全發(fā)展的端流和邊界端流的出現(xiàn)。溫度控制范圍10 Ce-600 C° o
[0020] 工作過程如下：如圖1所示，在外部總控系統(tǒng)1輸入模擬的端流強度，設定大氣 端流相干長度的值，系統(tǒng)會自動算出主加熱板16、附加熱板17和平衡溫度加熱板18 的溫度值。并經(jīng)模糊PID溫度控制系統(tǒng)7調制輸出控制信號，盛世公司-SS-YLYW-800H-35 空氣壓縮制冷裝置15開始工作制冷，圖2中制冷液由制制冷液流入口 13流入雙循環(huán) 式制冷管12，再由制冷液流出口 14回到制空氣壓縮制冷裝置15中，由此循環(huán)制冷 并實時受溫控模塊控制自適應地調整溫度值。均勻加熱系統(tǒng)4在接收到外部總控系統(tǒng) 1的控制信號后，控制圖3中主加熱板16、附加熱板17和平衡溫度加熱板18的施 耐-Rxm4化2p7繼電器通斷電的時間控制加熱板的溫度。同時，阿爾泰公司-DAM-3043溫度 采集系統(tǒng)6實時采集溫度并提供反饋數(shù)據(jù)給模糊PID溫度控制系統(tǒng)7,經(jīng)模糊PID溫度控 制系統(tǒng)7計算控制信號并再次輸出，W此循環(huán)形成溫度反饋閉環(huán)控制，獲得穩(wěn)定的大氣端 流。
[0021] 當上位機所測量計算得的端流相干長度穩(wěn)定后，實驗人員可W在端流池兩端進行 實驗，激光由池體2 -端的窗口透鏡10穿過端流發(fā)生倉8,由另一端射出到光學接收裝置。 如更改參數(shù)重新設定端流的相干長度值，溫控模塊需進行自整定后向端流池發(fā)控制信號， 增大或降低加熱板、制冷裝置的輸出功率。同時為了配合溫度的快速調整，本發(fā)明增加了如 圖1和圖2中的散熱系統(tǒng)5，在端流池外壁上的溫度補償附室散熱風扇20是為了降低溫 度補償附室9中的溫度，當附室的溫度降低到調整值的范圍內(nèi)，散熱風扇自動停止工作， 并關閉風扇百葉，使附室內(nèi)溫度維持恒定。端流池底部的加熱板散熱風扇19與上述原理 相同，接到控制信號后，開啟風扇降低端流發(fā)生倉8底部的加熱板，溫度降低到預定值后， 散熱風扇關閉。
[0022] 圖4所示為本發(fā)明模糊PID溫度控制系統(tǒng)7的模糊自適應PID溫度控制框圖。 傳統(tǒng)PID控制受其控制參數(shù)整定的限制，對于具有非線性、大滯后的溫度控制對象難W達 到滿意的控制效果。為克服此缺點，本系統(tǒng)在大誤差的情況下，利用模糊控制對大誤差的 調節(jié)效果好的特性，采用PID控制和模糊控制相結合的溫控算法。而在小誤差情況下，為了 提高控制精度，重新采用傳統(tǒng)PID控制。采用模糊自適應PID控制策略明顯優(yōu)于單純采用 PID控制。實際應用中，目標溫度設為180°C時，系統(tǒng)穩(wěn)定后溫度誤差小于0.3°C，相對誤差 為0. 16%，可見采用模糊自適應PID控制在本系統(tǒng)中具有良好的控制效果。
【權利要求】
1. 一種基于智能溫控調節(jié)系統(tǒng)的氣體大氣湍流模擬裝置，其特征在于是由外部總控系 統(tǒng)、池體、制冷循環(huán)系統(tǒng)、均勻加熱系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)、模糊PID溫度控制系統(tǒng) 組成；其中，池體由湍流發(fā)生倉、溫度補償附室、窗口透鏡，底部支架構成，池體中湍流發(fā)生 倉位于溫度補償附室內(nèi)，窗口透鏡分別放在湍流發(fā)生倉、溫度補償附室的兩端中心位置，底 部支架放在溫度補償附室下面；制冷循環(huán)系統(tǒng)由雙循環(huán)式制冷管、制冷液流入口、制冷液流 出口、空氣壓縮制冷裝置構成，雙循環(huán)式制冷管位于湍流發(fā)生倉的頂部，雙循環(huán)式制冷管連 接制冷液流入口和制冷液流出口，空氣壓縮制冷裝置接制冷液流入口和制冷液流出口，空 氣壓縮制冷裝置工作產(chǎn)生的冷空氣經(jīng)制冷液流入口進入雙循環(huán)式制冷管，經(jīng)雙循環(huán)式制冷 管后由制冷液流出口流入空氣壓縮制冷裝置，形成制冷效果；均勻加熱系統(tǒng)由主加熱板、附 加熱板和平衡溫度加熱板構成，附加熱板、主加熱板、平衡溫度加熱板并排相連接，位于湍 流發(fā)生倉的底部；散熱系統(tǒng)由加熱板散熱風扇、溫度補償附室散熱風扇構成，加熱板散熱風 扇位于均勻加熱系統(tǒng)的下面，溫度補償附室散熱風扇位于溫度補償附室外壁上；溫度采集 系統(tǒng)由湍流發(fā)生主倉室溫、溫度平衡附倉室溫、冷端溫度、主加熱板溫度、附加熱板溫度構 成，分別位于在池體的湍流發(fā)生主倉室、溫度平衡附倉室不同位置，池體頂部，池體底部主 加熱板和附加熱板中；模糊PID溫度控制系統(tǒng)位于外部總控系統(tǒng)內(nèi)。
【文檔編號】G01M9/08GK104502055SQ201410339593
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年7月17日 優(yōu)先權日:2014年7月17日
【發(fā)明者】付強, 姜會林, 王曉曼, 曾宗永, 高鐸瑞, 劉智, 于權嘉 申請人:長春理工大學