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系留氣球壓力調節系統的建模和設計論文
0引言
系留氣球作為一種浮空平臺,其基本工作原理是利用氣球囊體內的填充氣體在空氣中產生的浮力搭載有效載荷,并通過系留纜繩的拖曳實現在空中的長時間駐留,其在通信、公共安全、地質勘探、軍事用途和商業活動等多種場合有著廣闊的應用前景。系留氣球系統是一項復雜的系統工程,涉及到氣動、通訊、計算機、傳感器、材料和有效載荷等多個學科。
壓力調節系統是系留氣球系統中一個重要的分系統,它的主要功能是根據氣球系統的不同工作模式和外部條件,通過控制各個囊室充氣的風機和放氣的閥門來調節各部分的內外壓力差,使氣球保持既定的氣動外形,以期達到平穩帶載浮空的目的。壓力調節系統的正常運行是系留氣球平穩浮空的前提和保障,執行器(主要包括風機、閥門、撕裂幅等)的錯誤動作有可能致使氣球因外形變化而導致姿態失衡,以及因內外壓差過大而導致氣球囊體爆裂,甚至球皮被錯誤撕裂等嚴重故障,這對于整個氣球任務系統而言都是致命的。因此在進行壓力調節系統的軟、硬件設計時,既需要嚴格保證各執行機構在既定模式下動作的準確性和有效性,又需要最大限度地提高自身運行的可靠性。
1壓力調節系統建模
根據系留氣球的氣動外形,通常需要設計成若干個囊室,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部都填充空氣,主要用于調節各個囊室的壓差,進而維持系留氣球的氣動外形,因此每個囊室都配有可控的充氣風機和放氣閥門。考慮到安全因素,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,危及囊體安全時才允許打開。同時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會自動打開撕裂幅,以迅速放掉氦氣,使氣球盡快下落至地面。
一般而言,系留氣球壓力調節系統的執行機構包括:主氣囊閥門、副氣囊風機和閥門、整流罩風機和閥門、尾翼氣囊風機和閥門、撕裂幅電機等,而影響這些執行機構動作的輸入變量包括:壓力調節系統工作模式Mi,球體處風速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項直接或間接來自外部放置的各種傳感器,如GPS、風速風向儀、差壓儀、姿態傳感器、溫濕度傳感器、通訊設備鏈路等。其中,壓力調節系統工作模式Mi根據需要和實際情況又可分為圖1所示的子模式。
壓力調節系統在上述工作模式時,對各個執行機構所需的控制輸入項和控制準則不盡相同,而且還要考慮到針對各執行機構的控制,氣動總體設計師可能在系統設計初期無法給出完整而準確的輸入條件,從而帶來調試過程中的種種改動,所以必須對系留氣球壓力調節系統進行建模分析,以期找到一種安全、有效、可靠且可擴充的控制策略,否則難以保證系統設計能完全滿足要求。
建模時,首先要把壓力調節系統中所有工作模式Mi下所有可能影響執行機構動作的輸入條件D歸類,并將輸入條件類之間的關系解耦合,把輸入條件類之間變得相互獨立。此時,對于任意的輸入條件類Di和Dj從概率學角度描述應該滿足:
P(DiDj)=P(Di)P(Dj)(1)
然后將同一類的輸入條件Di全部分解為若干個互斥的Di1,Di2,…,Dik,且為遍歷分解,即把每個類的各種情況都歸納到此條件中,此時從概率學角度描述應該滿足:
P(∑mk=1Dik)=∑mk=1P(Dik)=1(2)
至此把可能影響執行機構動作的所有輸入條件D全部分解為“類間獨立,類內互斥”的子條件Dik,為控制傳遞函數的建立,創造了可使用的輸入變量。
針對任何一個執行機構Q(k),如果決定其動作的輸入條件有D1,D2,…,Dm,則對于不同的工作模式Mi,其傳遞函數總可以表示為:
Q(k)=∑ni=1{Mi∑[∏(D1,D2,…,Dm)]}(3)
式中:Mi代表控制模式中的第i種,當系統工作在第i種工作模式時,對應的Mi為TRUE,否則為FALSE;∏(D1,D2,…,Dm)代表對應輸入條件的邏輯最小乘積項。
根據該模型建立的壓力調節系統,將任務書中不同模式下各執行機構的各種復雜控制條件變成了一個個易于表述的邏輯函數表達式。這樣,在工程實施時該建模就有以下幾個方面的優勢:
(1)該模型把所有的輸入條件進行了分類、歸整,利用邏輯函數化簡方法(如代數法、卡諾圖法、系統化簡法等),易于發現其中的遺漏條件、不合理條件、自相矛盾條件,甚至是錯誤條件,特別是對于調試過程中臨時改動或增加的輸入條件。
(2)該模型把眾多可枚舉的工作模式和輸入條件進行一一對應,把復雜的系統任務分解為若干個模塊級獨立小任務的組合,易于工程化的實現,降低了各功能模塊之間的耦合,減少了軟件出錯的概率。
(3)基于該模型設計的控制系統,邏輯清晰,流程順暢,易于實現軟、硬件的擴充設計。特別是模型邏輯最小項中任意項(或稱約束項)的巧妙使用,對于實現諸如滯環控制等功能將帶來極大方便。
2壓力調節系統設計
下面結合某型系留氣球的實際工程設計,簡要介紹一個壓力調節系統的設計實例。
2.1硬件設計
由于系留氣球壓力調節系統是一個多傳感器輸入、多執行機構輸出的復雜系統,硬件設計時,既要考慮系統運行平臺、傳感器選型、輸入/輸出接口設計等電性能指標,更重要的是必須考慮安全性設計、可靠性設計、電磁兼容性設計等方面,同時還要兼顧考慮遠程下載程序的設計、有效載荷系統等多方面因素的影響。系留氣球壓力調節系統的硬件設備分布在球上和球下兩部分。兩部分設備通過系留纜繩中的光纖和無線通訊設備進行數據交換。
首先要確定的是壓力調節系統運行平臺的選擇。由于球上有大量的傳感器設備和執行機構,接口眾多,而且考慮到遠程更新程序的需要,故選擇基于PC104總線架構、網絡通訊機制和VxWorks實時操作系統的雙冗余計算機作為球上信息處理平臺。該平臺具有方便集成開發,可靠性高,體積重量小,支持遠程下載程序等特點,非常適合作為球上設備平臺使用。相對球上而言,球下的設備相對單一,僅為一臺6U結構的CPCI計算機提供氣球測控系統的人機界面。
傳感器是壓力調節系統中輸入信息的重要來源,其中可能使用到差壓傳感器、風速風向儀、三維姿態傳感器、GPS/北斗機、纜繩拉力傳感器、溫濕度傳感器等不同類型的傳感器。在傳感器設計選型時,應從以下幾個方面權衡考慮:
(1)各傳感器的量程、分辨率、響應速度等指標要符合系統對被測量參數的要求;
(2)各傳感器的環境適應性(包括溫濕度、海拔高度、氣壓、電磁環境等);
(3)各傳感器的輸出量優選數字信號,且通訊接口優選抗干擾能力強的RS422或RS485接口;
(4)各傳感器的供電、尺寸、體積、重量等指標要合理。
即使對于使用系留纜繩內光纖通訊的系統而言,無線通訊設備也是應急時球上球下通信的重要保障。根據需要,其間傳輸的既有一般的控制命令和回饋命令,也可能包括視頻監控圖像,因此在選擇無線通訊設備時要綜合考慮通訊距離、頻段、帶寬、與負載設備的電磁兼容性等因素。同時還要根據氣動總體輸入的氣球最大姿態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行。通訊設備的天線一般遵循“球上全向,球下定向”的原則,保證通訊信號的有效重疊覆蓋。
電磁兼容設計是保證系統正常工作的重要前提,特別是球上設備中的整流/逆變電源,以及壓力調節系統中的機電設備、無線通訊設備、有效負載系統、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,導致球上設備工作的電磁環境異常復雜,所以必須在系統設計初期就把電磁兼容設計作為一項系統工程,從干擾源、干擾對象和干擾路徑三個方面分析入手,廣泛采用屏蔽、加裝磁環、地線單點等電位技術手段。
2.2軟件設計
考慮到通訊中斷等極端情況,除了系統工作在人工控制模式時,壓力調節系統的絕大部分控制策略都是由球上計算機編制軟件完成的,所以球上壓力調節控制軟件既能進行自主壓力調節控制,又能根據球下操縱臺的命令進行控制。
控制軟件首先根據外部輸入的信息判斷當前的工作模式。比如判斷纜繩斷裂必須同時滿足以下五個條件,否則不判定為纜繩斷裂:
(1)光纜通訊中斷時間大于某值(如:大于10s);
(2)纜繩拉力持續小于某值(如:持續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間(如:超過10s高于4000m);
此時若判定纜繩正常,再根據當前的通訊狀態判斷是進入Ma1模式(纜繩正常、通訊正常),還是進入Ma2模式(纜繩正常、通訊中斷)。
當準確判定了壓力調節系統當前的工作模式Mi后,控制軟件會根據當前模式所需要的輸入條件逐一按照既定的邏輯函數表達式控制各個執行件動作。
3結語
本文介紹的壓力調節系統建模方案能有效地將系留氣球壓力調節系統中使用到的復雜的輸入變量歸納分類,并通過明晰的函數表達式對應到各個執行器的控制中去,降低了軟件編制的復雜度,減少了錯誤的發生。同時,文中描述的建模方法能夠方便地拓展到其他控制系統中,對控制系統的軟件編制具有有益的參考作用。硬件系統的搭建考慮了工程設計和實施的各個方面,具有較高的可靠性和良好的擴展性。基于這種控制模型設計的某系留氣球壓力調節系統,長期以來系統功能正常,運行穩定可靠。
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