气流场压力精密控制与快速升温关键技术研究

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建立与气候观测系统相配套的温度、湿度、压力、太阳辐射综合计量检定系统，对于评估大气压力、温度、湿度及太阳辐射传感器的综合性能，提高气候观测数据的准确性和可靠性具有重要意义。气流场的压力精密控制与温度快速控制是该综合计量检定系统的两大关键技术，是建立温度、湿度、压力综合计量检定系统的前提。论文在国家公益性行业(气象)科研专项支持下，针对气流场压力精密控制与快速升温所涉及的低气压流量测量与控制、双级气流场压力解耦控制、气流快速升温及气流场温度均匀化等技术难题，开展以下几方面的研究工作：1. 研究了低气压状态下的流量测量与控制题目，提出了一种低气压气体流量测量与控制方法。当气流场绝对压力小于40 kPa时，目前尚没有简便有效的质量流量测量手段。为此文中利用调节阀的节流特性，分析导出了流量与流体特性和调节阀相关参数之间的关系模型；通过建立质量流量标定系统获得了模型数据样本，由神经网络训练得到了该关系模型的解析表达式，从而实现了对低压气体流量的测量与控制。2．研究了宽范围气流场压力的精密控制题目，提出了一种多级并联设计方法。即对气流场压力控制采用流量系数按一定量级递减的粗调、精调相结合的并联结构。由粗调阀保证压力控制的快速性，由精调阀保证压力控制的精密性。两者配合使得系统在执行机构层面能够满足对气流场压力的快速精密控制。3．研究了串联直通的双级气流场压力独立控制时的强耦合题目，提出了一种基于神经网络与预测原理的解耦控制方法。双级气流场系统非线性强、结构复杂、参数时变，非常不利于解耦的实现。为此，文中基于神经网络建立了饱和器压力、实验箱压力、调节阀开度等与流量的非线性关系模型，然后利用预测原理与气体理想状态方程提前确定饱和器与实验箱压力彼此间的扰动量。据此预先调整调节阀开度抑制扰动量的影响，从而显著削弱了双级气流场压力之间的耦合作用。4．研究了空气均匀快速加热题目，设计了一台快速升温装置；同时基于此装置研究了温度快速控制策略，提出了一种改进的广义预测快速算法。传统的广义预测算法每个控制周期都会涉及到Diophantine方程的递推求解和矩阵求逆，在线计算量相当大。文中通过事先拟定控制量输出规则，只精确计算当前的控制增量，离线计算其他控制增量，大幅削减了在线计算量。5．研究了气流场温度的均匀化题目，提出了基于场协同原理的气流场温度均匀化方法。由于对对流换热的实质长久没有统一的认识，因而气流场温度均匀化的方法一直缺少统一有效的理论指导。文中通过对气流场温度的均匀化方法进行数值和实验研究，发现以场协同原理为指导设计整流结构可以增强气流场温度的均匀性。