阅读说明：本技术 一种基于传递函数辨识的动态热流测试方法 (Dynamic heat flow testing method based on transfer function identification ) 是由 王辉 朱新新 朱涛 杨凯 程光辉 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于传递函数辨识的动态热流测试方法,包括：利用基准热流传感器及热流传感器标定试验平台,得到标定的输入热流数据；制作基于一维传热体假设的热流传感器,结合已知的标定输入热流数据和热流传感器对应的温度响应测试数据,辨识出基于一维传热体假设的热流传感器的离散传递函数；最后根据辨识获得的离散传递函数,求出其脉冲响应时间序列,并结合Beck规则算法,得到线性动态热流的测试方法。本发明的基于传递函数辨识的动态热流测试方法,具有不依赖热流传感器热物性参数,也不依赖其加工尺寸和热电偶测温精确度,有效解决了动态热流测试不确定问题,同时具有提高有效测试时间,降低热流传感器加工难度和加工成本的优点。(The invention discloses a dynamic heat flow testing method based on transfer function identification, which comprises the following steps: calibrating the test platform by using the reference heat flow sensor and the heat flow sensor to obtain calibrated input heat flow data; manufacturing a heat flow sensor based on the assumption of a one-dimensional heat transfer body, and identifying a discrete transfer function of the heat flow sensor based on the assumption of the one-dimensional heat transfer body by combining known calibration input heat flow data and temperature response test data corresponding to the heat flow sensor; and finally, solving an impulse response time sequence according to the discrete transfer function obtained by identification, and combining a Beck rule algorithm to obtain the linear dynamic heat flow testing method. The dynamic heat flow testing method based on transfer function identification disclosed by the invention has the advantages that the method does not depend on the thermophysical parameters of the heat flow sensor, the processing size and the thermocouple temperature measurement accuracy, the uncertain problem of dynamic heat flow testing is effectively solved, the effective testing time is prolonged, and the processing difficulty and the processing cost of the heat flow sensor are reduced.)

一种基于传递函数辨识的动态热流测试方法

技术领域

本发明属于高超声速器地面防热试验测试技术领域，具体涉及一种基于传递函数辨识的动态热流测试方法。

背景技术

在高超声速地面模拟防热试验中，由于电弧流场的超高温、高冲刷作用，用热电偶直接准确测试传感器外表面温度往往是非常困难的。因此，常采用内埋热电偶的零点量热计用于电弧流场试验流场的动态冷壁热流测量。但考虑到其传热体热物性参数难以准确获取、“零点”位置加工尺寸与对应热电偶测温点难以准确控制以及热电偶测温误差与时间滞后，由此可能对热流测试带来较大不确定性；另外，零点量热计热流测试方法是基于一维传热半无限体假设，因此有效测试时间短，通常小于0.5秒。本发明针对上述情况，提出了一种新的基于一维传热的动态热流测试方法。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于传递函数辨识的动态热流测试方法，包括：

步骤一、热流传感器标定试验平台方波热流幅值的标定：热流传感器标定试验平台提供方波形的输入热流；然后用基准热流传感器测试出方波热流幅值绝对热流q_c，并将测试出的绝对热流q_c作为基于一维传热体假设的热流传感器的标定输入方波热流幅值；

步骤二、以采样时间间隔为Δt，同步采集幅值已标定的方波形输入热流的分光路光电二极管信号s(k)和基于一维传热体假设的热流传感器的第一热电偶对测温点的温度数据T₁(k)；归一化能反映标定热流波形的s(k)信号，并结合已知的标定输入方波热流幅值q_c，可以获得基于一维传热体假设的热流传感器动态标定输入热流q(k)；

步骤三、采用最小二乘优化算法，结合基于一维传热体假设的热流传感器动态标定输入热流q(k)和温度数据T₁(k)，根据最优目标函数调整等式中的参数θ＝[a b c d]，使得估计温度与实测温度T₁(k)均方差为最小，从而得出最优参数矢量θ^*＝[a^* b^* c^* d^*]；其中，N为总估计或总采集数据对数；

步骤四、根据步骤三获得的最优参数矢量θ^*，得到基于一维传热体假设的热流传感器的离散传递函数G^*(z)，即

其中，a^*,b^*,c^*,d^*为基于一维传热体假设的热流传感器的离散传递函数系数；

步骤五、通过基于一维传热体假设的热流传感器的离散传递函数G^*(z)，计算出基于一维传热体假设的热流传感器脉冲响应序列w_j；根据所获得的脉冲响应序列w_j(0≤j≤r)，结合Beck将来时间步规则方法，建立动态热流测试表达式：

当T₂≤T_max

其中，p为将来时间步数；可根据基于一维传热体假设的热流传感器脉冲响应序列w_j(0≤j≤r)，并结合第(M-1)时刻及前面已估计的热流数据通过迭代算法计算出，即式中T₁为第一热电偶对测温点所测温度值；T₂为第二热电偶对测温点所测温度值；T_max为最大允许温度值；

步骤六、根据所获得的动态热流测试表达式，利用基于一维传热体假设的热流传感器第一热电偶对所测温度T₁，可以测试计算出输入热流q；当满足T₂≤T_max，则为基于一维传热体假设的热流传感器有效测试时间。

优选的是，所述基于一维传热体假设的热流传感器包括：

圆柱形传热体，其第一端部的中心设置有第一热电偶对，第二端部端面的中心设置有第二热电偶对，所述圆柱形传热体弧形壁外侧设置有侧向绝热层，所述圆柱形传热体第二端部的端面上设置有传热体底部隔热层。

优选的是，所述第一热电偶对接近第一端部的端面。

优选的是，所述侧向绝热层为空气层，所述底部隔热层为耐高温的金云母片。

优选的是，所述的离散传递函数G^*(z)中的系数a^*,b^*,c^*,d^*可以通过基于一维传热体假设的热流传感器标定数据获得，具体过程如下：

基于一维传热体假设的热流传感器输出温度响应估计值与输入热流之间的关系可近似表示为：式中q(k)为基于一维传热体假设的热流传感器标定试验中已知的标定输入热流；为基于一维传热体假设的热流传感器第一热电偶对测温点温度响应输出估计值；采用最小二乘优化算法，当离散传递函数的温度输出估计值最接近实际基于一维传热体假设的热流传感器温度响应测试数据T₁(k)时，所辨识出的参数矢量θ^*＝[a^*b^*c^*d^*]为最优值，即使目标函数的值最小，由此可以确定离散传递函数G^*(z)中的系数a^*,b^*,c^*,d^*；N为总估计或总采集数据对数。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明提出的基于热流传感器传递函数热流标定试验辨识的动态热流测试方法既不依赖热流传感器热物性参数，也不依赖其加工尺寸和热电偶测温精确度，有效解决了动态热流测试不确定问题，同时也提高了有效测试时间，降低了热流传感器加工难度和加工成本。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明提供的基于一维传热体假设的热流传感器传热体结构示意图；

其中，1-圆柱形传热体；11-第一端部；12-第二端部；2-第一热电偶对；3-第二热电偶对；4-侧向绝热层；5-底部隔热层。

图2为本发明提供的根据辨识的离散传递函数获得的脉冲响应序列示意图；

图3为本发明提供的基于传递函数辨识的动态热流测试方法有效性验证示意图；

具体实施方式

：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

一种基于传递函数辨识的动态热流测试方法，包括以下步骤：

步骤一、热流传感器标定试验平台方波热流幅值的标定：热流传感器标定试验平台提供方波形的输入热流；然后用基准热流传感器测试出方波热流幅值绝对热流q_c，并将测试出的绝对热流q_c作为如图1所示的基于一维传热体假设的热流传感器的标定输入方波热流幅值；

步骤二、以采样时间间隔为Δt，同步采集幅值已标定的方波形输入热流的分光路光电二极管信号s(k)和基于一维传热体假设的热流传感器的第一热电偶对测温点的温度数据T₁(k)；归一化能反映标定热流波形的s(k)信号，并结合已知的标定输入方波热流幅值q_c，可以获得基于一维传热体假设的热流传感器动态标定输入热流q(k)；

步骤三、采用最小二乘优化算法，结合基于一维传热体假设的热流传感器动态标定输入热流q(k)和温度数据T₁(k)，使基于一维传热体假设的热流传感器输出温度响应估计值与输入热流之间的关系近似表示为：式中q(k)为基于一维传热体假设的热流传感器标定试验中已知的标定动态输入热流；为基于一维传热体假设的热流传感器第一热电偶对测温点温度响应估计值，根据最优目标函数调整等式中的参数θ＝[a b c d]，使最优目标函数的值最小。此时，估计温度与实测温度T₁(k)均方差为最小值，从而得出最优参数矢量θ^*＝[a^* b^* c^* d^*]；N为总估计或总采集数据对数；

步骤四、根据步骤三获得的最优参数矢量θ^*，得到基于一维传热体假设的热流传感器的离散传递函数G^*(z)，即

其中，a^*,b^*,c^*,d^*为基于一维传热体假设的热流传感器的离散传递函数系数；

步骤五、时间间隔为Δt,幅值为1的单脉冲，作为基于一维传热体假设的热流传感器的离散传递函数G^*(z)输入量，计算出基于一维传热体假设的热流传感器脉冲响应序列w_j；根据所获得的脉冲响应序列w_j(0≤j≤r)，结合Beck将来时间步规则方法，建立动态热流测试表达式：

当T₂≤T_max

其中，p为将来时间步数；可根据基于传热体假设的热流传感器脉冲响应序列w_j(0≤j≤r)，并结合第(M-1)时刻及前面已估计的热流数据通过迭代算法计算出，即式中T₁为第一热电偶对测温点所测温度值；T₂为第二热电偶对测温点所测温度值；T_max为最大允许温度值；

如图2所示，以采样的时间间隔为0.001s，通过离散传递函数获得的脉冲响应序列对应的无量纲弧值，并以采样点数为横坐标，无量纲弧值为纵坐标，得到两者的变化关系图；

步骤六、根据所获得的动态热流测试表达式，利用基于一维传热体假设的热流传感器第一热电偶对所测温度T₁，可以测试计算出输入热流q；当满足T₂≤T_max，则为基于一维传热体假设的热流传感器有效测试时间。

根据如图3所示的基于传递函数辨识的动态热流测试方法的有效性验证图，将测试出的热流与实际输入热流对比可以得出，通过本发明中所述的基于传递函数辨识的动态热流测试方法热流测试效果好，精度较高。

在上述技术方案中，所述基于一维传热体假设的热流传感器包括：

圆柱形传热体1，其第一端部11的中心设置有第一热电偶对2，第二端部端面12的中心设置有第二热电偶对3，所述圆柱形传热体1弧形壁外侧设置有侧向绝热层4，所述圆柱形传热体1第二端部12的端面上设置有传热体底部隔热层5。采用这种方式，基于传热体假设的热流传感器能够简化说明基于传递函数辨识的动态热流测试方法的适用条件。

在上述技术方案中，所述第一热电偶对2接近第一端部11的端面。采用这种方式，第一热电偶对接近第一端部的端面能够提高响应速度。

在上述技术方案中，所述侧向绝热层4为空气层，所述底部隔热层5为耐高温的金云母片。采用这种方式，在圆柱形传热体上设置侧向绝热层和底部隔热层，有利于减少边界条件对基于一维传热体假设的热流传感器的影响，提高动态热流测试的准确性。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。