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系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建模和設(shè)計(jì)論文
0引言
系留氣球作為一種浮空平臺(tái),其基本工作原理是利用氣球囊體內(nèi)的填充氣體在空氣中產(chǎn)生的浮力搭載有效載荷,并通過系留纜繩的拖曳實(shí)現(xiàn)在空中的長(zhǎng)時(shí)間駐留,其在通信、公共安全、地質(zhì)勘探、軍事用途和商業(yè)活動(dòng)等多種場(chǎng)合有著廣闊的應(yīng)用前景。系留氣球系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,涉及到氣動(dòng)、通訊、計(jì)算機(jī)、傳感器、材料和有效載荷等多個(gè)學(xué)科。
壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是系留氣球系統(tǒng)中一個(gè)重要的分系統(tǒng),它的主要功能是根據(jù)氣球系統(tǒng)的不同工作模式和外部條件,通過控制各個(gè)囊室充氣的風(fēng)機(jī)和放氣的閥門來調(diào)節(jié)各部分的內(nèi)外壓力差,使氣球保持既定的氣動(dòng)外形,以期達(dá)到平穩(wěn)帶載浮空的目的。壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正常運(yùn)行是系留氣球平穩(wěn)浮空的前提和保障,執(zhí)行器(主要包括風(fēng)機(jī)、閥門、撕裂幅等)的錯(cuò)誤動(dòng)作有可能致使氣球因外形變化而導(dǎo)致姿態(tài)失衡,以及因內(nèi)外壓差過大而導(dǎo)致氣球囊體爆裂,甚至球皮被錯(cuò)誤撕裂等嚴(yán)重故障,這對(duì)于整個(gè)氣球任務(wù)系統(tǒng)而言都是致命的。因此在進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)時(shí),既需要嚴(yán)格保證各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在既定模式下動(dòng)作的準(zhǔn)確性和有效性,又需要最大限度地提高自身運(yùn)行的可靠性。
1壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模
根據(jù)系留氣球的氣動(dòng)外形,通常需要設(shè)計(jì)成若干個(gè)囊室,一般包括主氣囊、副氣囊、整流罩和尾翼氣囊等。其中,副氣囊、整流罩和尾翼氣囊的內(nèi)部都填充空氣,主要用于調(diào)節(jié)各個(gè)囊室的壓差,進(jìn)而維持系留氣球的氣動(dòng)外形,因此每個(gè)囊室都配有可控的充氣風(fēng)機(jī)和放氣閥門�？紤]到安全因素,主氣囊一般填充密度較小的惰性氣體———氦氣,主要用于產(chǎn)生浮力,因此只配有可控的放氣閥門,但該閥門只有在主氣囊壓力過大,危及囊體安全時(shí)才允許打開。同時(shí)考慮到纜繩斷裂且球上球下通訊中斷等極端情況,在主氣囊處裝有囊體撕裂裝置,在氣球脫系且遙控失效后球上系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開撕裂幅,以迅速放掉氦氣,使氣球盡快下落至地面。
一般而言,系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括:主氣囊閥門、副氣囊風(fēng)機(jī)和閥門、整流罩風(fēng)機(jī)和閥門、尾翼氣囊風(fēng)機(jī)和閥門、撕裂幅電機(jī)等,而影響這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的輸入變量包括:壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作模式Mi,球體處風(fēng)速WB,主氣囊與外界大氣壓差ΔP1,整流罩氣囊與外界大氣的壓差ΔP2,尾翼氣囊與外界大氣的壓差ΔP3等。輸入變量中很多相關(guān)項(xiàng)直接或間接來自外部放置的各種傳感器,如GPS、風(fēng)速風(fēng)向儀、差壓儀、姿態(tài)傳感器、溫濕度傳感器、通訊設(shè)備鏈路等。其中,壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作模式Mi根據(jù)需要和實(shí)際情況又可分為圖1所示的子模式。
壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在上述工作模式時(shí),對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的控制輸入項(xiàng)和控制準(zhǔn)則不盡相同,而且還要考慮到針對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制,氣動(dòng)總體設(shè)計(jì)師可能在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期無法給出完整而準(zhǔn)確的輸入條件,從而帶來調(diào)試過程中的種種改動(dòng),所以必須對(duì)系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析,以期找到一種安全、有效、可靠且可擴(kuò)充的控制策略,否則難以保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)能完全滿足要求。
建模時(shí),首先要把壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中所有工作模式Mi下所有可能影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的輸入條件D歸類,并將輸入條件類之間的關(guān)系解耦合,把輸入條件類之間變得相互獨(dú)立。此時(shí),對(duì)于任意的輸入條件類Di和Dj從概率學(xué)角度描述應(yīng)該滿足:
P(DiDj)=P(Di)P(Dj)(1)
然后將同一類的輸入條件Di全部分解為若干個(gè)互斥的Di1,Di2,…,Dik,且為遍歷分解,即把每個(gè)類的各種情況都?xì)w納到此條件中,此時(shí)從概率學(xué)角度描述應(yīng)該滿足:
P(∑mk=1Dik)=∑mk=1P(Dik)=1(2)
至此把可能影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的所有輸入條件D全部分解為“類間獨(dú)立,類內(nèi)互斥”的子條件Dik,為控制傳遞函數(shù)的建立,創(chuàng)造了可使用的輸入變量。
針對(duì)任何一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)Q(k),如果決定其動(dòng)作的輸入條件有D1,D2,…,Dm,則對(duì)于不同的工作模式Mi,其傳遞函數(shù)總可以表示為:
Q(k)=∑ni=1{Mi∑[∏(D1,D2,…,Dm)]}(3)
式中:Mi代表控制模式中的第i種,當(dāng)系統(tǒng)工作在第i種工作模式時(shí),對(duì)應(yīng)的Mi為TRUE,否則為FALSE;∏(D1,D2,…,Dm)代表對(duì)應(yīng)輸入條件的邏輯最小乘積項(xiàng)。
根據(jù)該模型建立的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng),將任務(wù)書中不同模式下各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各種復(fù)雜控制條件變成了一個(gè)個(gè)易于表述的邏輯函數(shù)表達(dá)式。這樣,在工程實(shí)施時(shí)該建模就有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì):
(1)該模型把所有的輸入條件進(jìn)行了分類、歸整,利用邏輯函數(shù)化簡(jiǎn)方法(如代數(shù)法、卡諾圖法、系統(tǒng)化簡(jiǎn)法等),易于發(fā)現(xiàn)其中的遺漏條件、不合理?xiàng)l件、自相矛盾條件,甚至是錯(cuò)誤條件,特別是對(duì)于調(diào)試過程中臨時(shí)改動(dòng)或增加的輸入條件。
(2)該模型把眾多可枚舉的工作模式和輸入條件進(jìn)行一一對(duì)應(yīng),把復(fù)雜的系統(tǒng)任務(wù)分解為若干個(gè)模塊級(jí)獨(dú)立小任務(wù)的組合,易于工程化的實(shí)現(xiàn),降低了各功能模塊之間的耦合,減少了軟件出錯(cuò)的概率。
(3)基于該模型設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng),邏輯清晰,流程順暢,易于實(shí)現(xiàn)軟、硬件的擴(kuò)充設(shè)計(jì)。特別是模型邏輯最小項(xiàng)中任意項(xiàng)(或稱約束項(xiàng))的巧妙使用,對(duì)于實(shí)現(xiàn)諸如滯環(huán)控制等功能將帶來極大方便。
2壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
下面結(jié)合某型系留氣球的實(shí)際工程設(shè)計(jì),簡(jiǎn)要介紹一個(gè)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例。
2.1硬件設(shè)計(jì)
由于系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)多傳感器輸入、多執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的復(fù)雜系統(tǒng),硬件設(shè)計(jì)時(shí),既要考慮系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)、傳感器選型、輸入/輸出接口設(shè)計(jì)等電性能指標(biāo),更重要的是必須考慮安全性設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)等方面,同時(shí)還要兼顧考慮遠(yuǎn)程下載程序的設(shè)計(jì)、有效載荷系統(tǒng)等多方面因素的影響。系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的硬件設(shè)備分布在球上和球下兩部分。兩部分設(shè)備通過系留纜繩中的光纖和無線通訊設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
首先要確定的是壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)的選擇。由于球上有大量的傳感器設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu),接口眾多,而且考慮到遠(yuǎn)程更新程序的需要,故選擇基于PC104總線架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)通訊機(jī)制和VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的雙冗余計(jì)算機(jī)作為球上信息處理平臺(tái)。該平臺(tái)具有方便集成開發(fā),可靠性高,體積重量小,支持遠(yuǎn)程下載程序等特點(diǎn),非常適合作為球上設(shè)備平臺(tái)使用。相對(duì)球上而言,球下的設(shè)備相對(duì)單一,僅為一臺(tái)6U結(jié)構(gòu)的CPCI計(jì)算機(jī)提供氣球測(cè)控系統(tǒng)的人機(jī)界面。
傳感器是壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中輸入信息的重要來源,其中可能使用到差壓傳感器、風(fēng)速風(fēng)向儀、三維姿態(tài)傳感器、GPS/北斗機(jī)、纜繩拉力傳感器、溫濕度傳感器等不同類型的傳感器。在傳感器設(shè)計(jì)選型時(shí),應(yīng)從以下幾個(gè)方面權(quán)衡考慮:
(1)各傳感器的量程、分辨率、響應(yīng)速度等指標(biāo)要符合系統(tǒng)對(duì)被測(cè)量參數(shù)的要求;
(2)各傳感器的環(huán)境適應(yīng)性(包括溫濕度、海拔高度、氣壓、電磁環(huán)境等);
(3)各傳感器的輸出量?jī)?yōu)選數(shù)字信號(hào),且通訊接口優(yōu)選抗干擾能力強(qiáng)的RS422或RS485接口;
(4)各傳感器的供電、尺寸、體積、重量等指標(biāo)要合理。
即使對(duì)于使用系留纜繩內(nèi)光纖通訊的系統(tǒng)而言,無線通訊設(shè)備也是應(yīng)急時(shí)球上球下通信的重要保障。根據(jù)需要,其間傳輸?shù)募扔幸话愕目刂泼詈突仞伱?也可能包括視頻監(jiān)控圖像,因此在選擇無線通訊設(shè)備時(shí)要綜合考慮通訊距離、頻段、帶寬、與負(fù)載設(shè)備的電磁兼容性等因素。同時(shí)還要根據(jù)氣動(dòng)總體輸入的氣球最大姿態(tài)偏移和位置飄移確定球上球下通訊天線的覆蓋范圍,以保證在極限情況下兩處通訊的正常進(jìn)行。通訊設(shè)備的天線一般遵循“球上全向,球下定向”的原則,保證通訊信號(hào)的有效重疊覆蓋。
電磁兼容設(shè)計(jì)是保證系統(tǒng)正常工作的重要前提,特別是球上設(shè)備中的整流/逆變電源,以及壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的機(jī)電設(shè)備、無線通訊設(shè)備、有效負(fù)載系統(tǒng)、空間電磁輻射和接地電阻大(甚至浮地)等諸多因素交織在一起,導(dǎo)致球上設(shè)備工作的電磁環(huán)境異常復(fù)雜,所以必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期就把電磁兼容設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程,從干擾源、干擾對(duì)象和干擾路徑三個(gè)方面分析入手,廣泛采用屏蔽、加裝磁環(huán)、地線單點(diǎn)等電位技術(shù)手段。
2.2軟件設(shè)計(jì)
考慮到通訊中斷等極端情況,除了系統(tǒng)工作在人工控制模式時(shí),壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的絕大部分控制策略都是由球上計(jì)算機(jī)編制軟件完成的,所以球上壓力調(diào)節(jié)控制軟件既能進(jìn)行自主壓力調(diào)節(jié)控制,又能根據(jù)球下操縱臺(tái)的命令進(jìn)行控制。
控制軟件首先根據(jù)外部輸入的信息判斷當(dāng)前的工作模式。比如判斷纜繩斷裂必須同時(shí)滿足以下五個(gè)條件,否則不判定為纜繩斷裂:
(1)光纜通訊中斷時(shí)間大于某值(如:大于10s);
(2)纜繩拉力持續(xù)小于某值(如:持續(xù)10s拉力小于100kg);
(3)球上降壓變壓器輸入端線電壓過低(如:三相電壓皆小于100V);
(4)主氣囊與外界大氣壓力差大于某值(如:100mmH2O);
(5)在GPS正常的前提下,球體高度大于某值一定時(shí)間(如:超過10s高于4000m);
此時(shí)若判定纜繩正常,再根據(jù)當(dāng)前的通訊狀態(tài)判斷是進(jìn)入Ma1模式(纜繩正常、通訊正常),還是進(jìn)入Ma2模式(纜繩正常、通訊中斷)。
當(dāng)準(zhǔn)確判定了壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)當(dāng)前的工作模式Mi后,控制軟件會(huì)根據(jù)當(dāng)前模式所需要的輸入條件逐一按照既定的邏輯函數(shù)表達(dá)式控制各個(gè)執(zhí)行件動(dòng)作。
3結(jié)語
本文介紹的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模方案能有效地將系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中使用到的復(fù)雜的輸入變量歸納分類,并通過明晰的函數(shù)表達(dá)式對(duì)應(yīng)到各個(gè)執(zhí)行器的控制中去,降低了軟件編制的復(fù)雜度,減少了錯(cuò)誤的發(fā)生。同時(shí),文中描述的建模方法能夠方便地拓展到其他控制系統(tǒng)中,對(duì)控制系統(tǒng)的軟件編制具有有益的參考作用。硬件系統(tǒng)的搭建考慮了工程設(shè)計(jì)和實(shí)施的各個(gè)方面,具有較高的可靠性和良好的擴(kuò)展性。基于這種控制模型設(shè)計(jì)的某系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng),長(zhǎng)期以來系統(tǒng)功能正常,運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
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