阅读说明：本技术 面向战机蒙皮的分段离散增量式pid多路温控系统及方法 (Warplane skin-oriented segmented discrete incremental PID multi-path temperature control system and method ) 是由 傅莉 张兆义 胡为 袁焕槟 王俊华 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种面向战机蒙皮的分段离散增量式PID多路温控系统及方法,涉及控制技术领域。本系统包括核心控制器模块、信号调理模块、三极管驱动模块,将飞机模型与多点温度调节相结合的红外辐射特性研究方法,为战机机身红外辐射效能地面测试提供了便利,实现了对战机蒙皮表面三点的温度控制,体现了分段式PID控制算法的有效控制能力。本系统将可以应用于一定马赫数下的战机蒙皮外表面温度模型的地面呈现,使飞机模型与多点温度调节相结合的红外辐射特性研究方法成为可能。(The invention provides a warplane skin-oriented segmented discrete incremental PID multi-path temperature control system and method, and relates to the technical field of control. The system comprises a core controller module, a signal conditioning module and a triode driving module, and an infrared radiation characteristic research method combining an airplane model and multipoint temperature regulation provides convenience for ground test of infrared radiation efficiency of a fighter plane body, realizes temperature control of three points on the surface of a fighter plane skin, and embodies the effective control capability of a sectional PID control algorithm. The system can be applied to the ground presentation of the temperature model of the outer surface of the skin of the fighter plane under a certain Mach number, so that the infrared radiation characteristic research method combining the airplane model with multi-point temperature regulation becomes possible.)

面向战机蒙皮的分段离散增量式PID多路温控系统及方法

技术领域

本发明涉及控制技术领域，尤其涉及一种面向战机蒙皮的分段离散增量式PID多路温控系统及方法。

背景技术

在现代战争中，随着各种高精尖技术的应用，战机的作战性能和战术作用不断提高。自第一次海湾战争以来，各军事强国的战机隐身技术发展突飞猛进，同时，对隐身战机的有效打击方法，也成为各军事阵营争相研究的热点问题。从美军F-117A隐身轰炸机，到目前俄军的米格29和美军的F22、F35、B2等，已有众多隐身战机机型正式列装服役。

战机在高速飞行时，气动加热现象导致飞机蒙皮表面产生不均匀的温度分布状态。尤其当战机进行超音速巡航时，强烈的启动加热促使整机蒙皮成为8-14μm波段的主要红外辐射源。伴随着红外制导武器从单一短波探测向复合长、短波探测的不断进步，对战机蒙皮8-14μm波段的隐身处理变得愈加重要。

为进一步完善战机红外隐身地面测试与隐身效能评估方法，需要地面温控系统能够模拟出空中战机飞行时的气动加热多温区状况设计温度控制系统，满足战机蒙皮红外隐身特性测试需求。为此，本发明提出了一种面向战机蒙皮的分段离散增量式PID多路温控方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种面向战机蒙皮的分段离散增量式PID多路温控系统及方法。

本发明所采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种面向战机蒙皮的分段离散增量式PID多路温控系统，包括核心控制器模块、信号调理模块、三极管驱动模块；

所述核心控制器模块包含核心控制器及板载电源；所述核心控制器为单片机控制系统，采用分段式PID算法控制程序，设置采样率对战机蒙皮表面温度进行采样，设置温度阈值A对战机蒙皮表面温度进行分段控制，采用增量式PID算法计算占空比增量并输出PWM波的占空比；板载电源为外部+12V电源接入核心处理器输入端，核心处理器输出端口连接三极管驱动模块的输入端；

所述分段控制，其划分阶段及各阶段执行的任务为：

(1)当实际温度T小于预设温度A的一半时，占空比增量设置为0；

(2)当A*0.5<T<A*0.9时，为分段式PID算法的第一段，使用第一组PID调节参数进行增量式PID计算占空比增量；

(3)当T<A*0.9时，为分段式PID算法的第二段，使用第二组PID调节参数进行增量式PID计算占空比增量。

所述信号调理模块包括热电阻温度传感器以及调理电路；热电阻温度传感器通过导线和接线端子接入调理电路的输入接线端子，对蒙皮表面实际温度T进行测量，调理电路的输出端口连接至所述核心控制器的内置A/D转换器接口；

所述三极管驱动模块包括三极管驱动电路、固态继电器以及硅胶加热片，所述三极管驱动电路由核心控制器输出的PWM信号作为输入，输出端接所述固态继电器的负输入端以控制硅胶加热片的开关状态；所述固态继电器继电器的正输入端连接核心控制模块的板载电源，输出220V交流电，由PWM对应的开关状态控制交流电的通断，所述硅胶加热片通过导热胶粘贴于待测蒙皮材料样品金属板不涂有特制涂层的内侧，其供电端口与三极管驱动电路中的固态继电器相连接，用来实现对蒙皮表面温度调节；

另一方面，一种面向战机蒙皮的分段离散增量式PID多路温控方法，通过前述面向战机蒙皮的分段离散增量式PID多路温控系统实现，包括以下步骤：

步骤1、对控制回路进行搭建；

将硅胶加热片用导热胶粘贴于蒙皮材料样品金属板不涂有特制涂层的内侧，并将硅胶加热片供电端口与固态继电器相连接；使用耐热胶将信号调理模块的热电阻温度传感器粘贴于蒙皮材料样品金属板涂有特制涂层的外侧，被控点位置，将热电阻传感器的三个导线端接入调理电路的输入接线端子；

步骤2、对控温目标温度进行设置；

本系统共有三种目标温度设置方式：

(1)在PID算法控制程序中设定好预设温度A，再将程序下载至核心控制器当中；

(2)使用印刷电路板板载按键来修改预设温度A；

(3)使用PC机和核心控制器之间的串口通信来修改核心控制器中的预设温度A；

其中上述方式(2)(3)均可在温度控制过程中随时改变目标温度值，而方式(1)可视为控制器初始设置目标温度值；

步骤3、对被控点温度进行控制；

由于硅胶加热片的材质不能长时间承受200℃以上的高温，所以本系统在工作时应将目标温度设定在180℃以下以延长加热片的使用寿命；控制回路搭建完成并设定好预设温度A后，接通加热片电源后即可开始蒙皮材料样品被控点温度的调节。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本系统实现某型战斗机在一定马赫数下的蒙皮外表面温度模型，该温度控制器首创将飞机模型与多点温度调节相结合的红外辐射特性研究方法，为战机机身红外辐射效能地面测试提供了便利，实现了对战机蒙皮表面三点的温度控制，体现了分段式PID控制算法的有效控制能力。该控制器将可以应用于一定马赫数下的战机蒙皮外表面温度模型的地面呈现，使飞机模型与多点温度调节相结合的红外辐射特性研究方法成为可能。

附图说明

图1为本发明中控制器系统结构框图；

图2为本发明中包含的单回路温控原理框图；

图3为本发明传感器调理电路接线图；

图4为本发明传感器调理电路原理图；

图5为本发明驱动模块部分电路原理图；

图6为本发明使用的固态继电器实物图；

图7为本发明测温算法程序流程图；

图8为本发明控温算法程序流程图；

图9为本发明的控温实验温度变化曲线1；

图(a)-整体曲线图；图(b)-震荡曲线图；

图10为本发明的控温实验温度变化曲线2。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

一方面，本发明提供一种面向战机蒙皮的分段离散增量式PID多路温控系统，如图1所示，包括核心控制器模块、信号调理模块、三极管驱动模块；

本实施例中设计温度控制路数为3路。单片机STM32芯片选取型号为STM32F407VET6；供电稳压电路使用的稳压芯片型号为AMS1117-3.3V；温度传感器选用型号为Pt100(0℃时电阻值为100Ω的铂电阻)；驱动模块三极管选用的是2SD882型NPN三极管。

所述核心控制器模块包含核心控制器及板载电源；所述核心控制器为STM32控制系统，以STM32F407VET6处理器为核心，采用分段式PID算法控制程序，设置采样率对战机蒙皮表面温度进行采样，设置温度阈值A对战机蒙皮表面温度进行分段控制，采用增量式PID算法计算占空比增量并输出PWM波的占空比；板载电源为外部+12V电源接入核心处理器输入端，核心处理器输出端口连接三极管驱动模块的输入端；

所述分段控制，其划分阶段及各阶段执行的任务为：

(1)当实际温度T小于预设温度A的一半时，占空比增量设置为0；

(2)当A*0.5<T<A*0.9时，为分段式PID算法的第一段，使用第一组PID调节参数进行增量式PID计算占空比增量；

(3)当T<A*0.9时，为分段式PID算法的第二段，使用第二组PID调节参数进行增量式PID计算占空比增量。

所述信号调理模块包括热电阻温度传感器以及调理电路，热电阻温度传感器通过导线和接线端子接入调理电路的输入接线端子，对蒙皮表面实际温度T进行测量，调理电路的输出端口连接至所述核心控制器的内置A/D转换器接口，通过STM32的运算处理之后，即可获得传感器电阻部分当前的温度；

所述三极管驱动模块包括三极管驱动电路、固态继电器以及硅胶加热片，所述三极管驱动电路配合固态继电器驱动交流供电的硅胶加热片，由核心控制器输出的PWM信号作为输入，输出端接所述固态继电器的负输入端以控制硅胶加热片的开关状态；所述固态继电器继电器的正输入端连接核心控制模块的板载电源，输出220V交流电，由PWM对应的开关状态控制交流电的通断，所述硅胶加热片通过导热胶粘贴于待测蒙皮材料样品金属板不涂有特制涂层的内侧，其供电端口与三极管驱动电路中的固态继电器相连接，用来实现对蒙皮表面温度调节，单回路温控原理如图2所示；

另一方面，一种面向战机蒙皮的分段离散增量式PID多路温控方法，通过前述面向战机蒙皮的分段离散增量式PID多路温控系统实现，包括以下步骤：

步骤1、对控制回路进行搭建；

将硅胶加热片用导热胶粘贴于蒙皮材料样品金属板不涂有特制涂层的内侧，并将硅胶加热片供电端口与固态继电器相连接；使用耐热胶将信号调理模块的热电阻温度传感器粘贴于蒙皮材料样品金属板涂有特制涂层的外侧，被控点位置，将热电阻传感器的三个导线端接入调理电路的输入接线端子；

步骤2、对控温目标温度进行设置；

本系统共有三种目标温度设置方式：

(1)在PID算法控制程序中设定好预设温度A，再将程序下载至核心控制器当中；

(2)使用印刷电路板板载按键来修改预设温度A；

(3)使用PC机和核心控制器之间的串口通信来修改核心控制器中的预设温度A；

其中上述方式(2)(3)均可在温度控制过程中随时改变目标温度值，而方式(1)可视为控制器初始设置目标温度值；

步骤3、对被控点温度进行控制；

由于硅胶加热片的材质不能长时间承受200℃以上的高温，所以本系统在工作时应将目标温度设定在180℃以下以延长加热片的使用寿命；控制回路搭建完成并设定好预设温度A后，接通加热片电源后即可开始蒙皮材料样品被控点温度的调节。

在该控制器中，3个Pt100热电阻温度传感器分别按照图3所示的接线方法接入图4所示的调理电路中，其中热电阻的2根红色导线可以任意接在Ptx_Red1/Ptx_Red2端口，1根白色导线接在Ptx_White端口。

调理电路共有三组，每一组调理电路都有两个输出端口AINx+/AINx-，其中AIN1+、AIN1-、AIN2+、AIN2-、AIN3+、AIN3-依次分别连接到STM32芯片的A/D转换器输入端口PC0、PC1、PC2、PC3、PC4、PC5。

驱动模块部分电路原理图如图5所示，PWM_OUT1、PWM_OUT2、PWM_OUT3对应STM32芯片的PWM输出端口PA1、PB0、PE9，分别通过1个阻值为1K的电阻与三极管B极相连，通过SSR1+、SSR1-、SSR2+、SSR2-、SSR3+、SSR3-端口来控制三路固态继电器的选通与关断。

其中，驱动加热片的固态继电器应为单相直流控交流固态继电器，其性能参数应符合表1要求。本实施例使用的固态继电器实物如图6所示。

表1固态继电器参数设置

在图3中U为电桥的激励电源，既可以是直流电源也可以是交流电源；R₁、R₂、R₃、R_t四个纯电阻元件。如果桥臂中R₄为热电阻，其他桥臂为固定电阻，则当热电阻R₄产生电阻变化ΔR₄时，考虑到电桥初始平衡条件R₁R₃＝R₂R₄，其输出电压为

若忽略热电阻接线电阻r，则近似ΔR_t表达式为

式中，U_o为电桥输出电压，U为电桥供电电压，R为R₁、R₂、R₃的阻值100Ω。

基于近似电阻变化值ΔR_t，当前被测温度T为

式中，α为对Pt100热电阻0～200℃的R-T曲线进行一阶拟合所得一阶系数，其值为α＝2.6364。

STM内置的12位ADC能将0～3.3V的模拟电压转化成大小为0～4095的二进制数据供CPU调用。根据式(3)可得解算算法

式中，x是从ADC中读取到的AINx+、AINx-数据的差值。例如当x＝680时，被测温度T＝150.5℃。

据此设计测温程序流程图如图7所示。

在此程序中，每连续5次ADC读数的平均值作为一次采样，求解当前实时温度T，最后由串口将解算出的T发送至上位机，参数T将继续在单片机中作为控温程序的输入变量。

从各种应用PID控制算法的场景中获得的实际控制结果来看，不论位移式还是增量式PID控制算法，采用单一的PID参数很难达到较为理想的控制效果。

基于增量式PID算法的分段式PID算法可以根据被控对象的实际状态和与目标状态的偏差值，针对不同的控制阶段选定不同的PID参数，从而达到缩短响应时间、减小超调和稳态误差的作用。其主要思路是，在大偏差情况下，加强比例和积分调节、减小微分作用；在小偏差情况下，减弱比例调节、加强微分调节。

离散的增量式PID基本算式为

Δu＝K_pΔe(k)+K_ie(k)+K_d[Δe(k)-Δe(k-1)] (5)

式中k为第k次采样时刻，u为控制信号输出值，e为误差信号，K_p、K_i、K_d分别为比例、积分、微分调节系数。

由于加热系统响应时间较长，在控温程序中，设计用2Hz采样率进行温度采样，设置2个温度阈值进行分段控制，采用增量式PID算法计算占空比增量(dDuty)并输出PWM波的占空比(Duty‰)。其划分阶段及各阶段执行的任务为：

①当实际温度T小于预设温度A的一半(T<A*0.5)时，占空比增量dDuty设置为0；

②当实际温度T小于预设温度A的90％(A*0.5<T<A*0.9)时，使用第一组PID调节参数进行增量式PID计算dDuty；

③当实际温度T大于预设温度A的90％(T<A*0.9)时，使用第二组PID调节参数进行增量式PID计算dDuty。

基于分段式PID算法设计STM32的控温程序流程图如图8示。

对同一初始条件、初始控制变量的普通增量式PID和分段离散增量式PID的温度控制系统控温曲线进行对比，如图9所示。

从图9曲线中不难看出，分段式PID算法的响应速度更快，在本次调节中达到目标稳态(误差≤0.05％)的时间比普通PID算法减少63.1％，并且无超调量、无震荡。

采用该控制器进行三阶段(100℃-120℃-150℃)温度控制得到温度变化曲线如图10所示。观察曲线中可以得知，本温控系统在进行100℃、120℃、150℃的依次加热时，可以实现无超调的温度控制，且响应时间均在6min左右。虽然分段式PID算法参数整定比普通PID算法要繁琐一些，但从控制效果的速度快、精度高、无超调来看，分段式PID算法是具有巨大优势的。

通过对以上曲线的分析可以得出，本控制系统实现了对战机蒙皮表面三点的温度控制，体现了分段式PID控制算法的有效控制能力。该控制器将可以应用于一定马赫数下的战机蒙皮外表面温度模型的地面呈现，使飞机模型与多点温度调节相结合的红外辐射特性研究方法成为可能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。