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1、系留气球压力调节系统的建模和设计0引言 系留气球作为一种浮空平台,其基本工作原理是利用气球囊体内的填充气体在空气中产生的浮力搭载有效载荷,并通过系留缆绳的拖曳实现在空中的长时间驻留,其在通信、公共安全、地质勘探、军事用途和商业活动等多种场合有着广阔的应用前景。系留气球系统是一项复杂的系统工程,涉及到气动、通讯、计算机、传感器、材料和有效载荷等多个学科。 压力调节系统是系留气球系统中一个重要的分系统,它的主要功能是根据气球系统的不同工作模式和外部条件,通过控制各个囊室充气的风机和放气的阀门来调节各部分的内外压力差,使气球保持既定的气动外形,以期达
2、到平稳带载浮空的目的。压力调节系统的正常运行是系留气球平稳浮空的前提和保障,执行器(主要包括风机、阀门、撕裂幅等)的错误动作有可能致使气球因外形变化而导致姿态失衡,以及因内外压差过大而导致气球囊体爆裂,甚至球皮被错误撕裂等严重故障,这对于整个气球任务系统而言都是致命的。因此在进行压力调节系统的软、硬件设计时,既需要严格保证各执行机构在既定模式下动作的准确性和有效性,又需要最大限度地提高自身运行的可靠性。 1压力调节系统建模 根据系留气球的气动外形,通常需要设计成若干个囊室,一般包括主气囊、副气囊、整流罩和尾翼气囊等。其中,副气囊、整流罩和尾翼气
3、囊的内部都填充空气,主要用于调节各个囊室的压差,进而维持系留气球的气动外形,因此每个囊室都配有可控的充气风机和放气阀门。考虑到安全因素,主气囊一般填充密度较小的惰性气体氦气,主要用于产生浮力,因此只配有可控的放气阀门,但该阀门只有在主气囊压力过大,危及囊体安全时才允许打开。同时考虑到缆绳断裂且球上球下通讯中断等极端情况,在主气囊处装有囊体撕裂装置,在气球脱系且遥控失效后球上系统会自动打开撕裂幅,以迅速放掉氦气,使气球尽快下落至地面。 一般而言,系留气球压力调节系统的执行机构包括:主气囊阀门、副气囊风机和阀门、整流罩风机和阀门、尾翼气囊风机和阀门、
4、撕裂幅电机等,而影响这些执行机构动作的输入变量包括:压力调节系统工作模式Mi,球体处风速i根据需要和实际情况又可分为图1所示的子模式。 压力调节系统在上述工作模式时,对各个执行机构所需的控制输入项和控制准则不尽相同,而且还要考虑到针对各执行机构的控制,气动总体设计师可能在系统设计初期无法给出完整而准确的输入条件,从而带来调试过程中的种种改动,所以必须对系留气球压力调节系统进行建模分析,以期找到一种安全、有效、可靠且可扩充的控制策略,否则难以保证系统设计能完全满足要求。 建模时,首先要把压力调节系统中所有工作模式Mi下所有可能影响执行机构动作的输
5、入条件D归类,并将输入条件类之间的关系解耦合,把输入条件类之间变得相互独立。此时,对于任意的输入条件类Di和Dj从概率学角度描述应该满足: P(DiDj)=P(Di)P(Dj)(1) 然后将同一类的输入条件Di全部分解为若干个互斥的Di1,Di2,,Dik,且为遍历分解,即把每个类的各种情况都归纳到此条件中,此时从概率学角度描述应该满足: P(∑mk=1Dik)=∑mk=1P(Dik)=1(2) 至此把可能影响执行机构动作的所有输入条件D全部分解为类间独立,类内互斥的子条件Dik,为控制传递函数的建立,创造了可使用的输入变量
6、。 针对任何一个执行机构Q(k),如果决定其动作的输入条件有D1,D2,,Dm,则对于不同的工作模式Mi,其传递函数总可以表示为: Q(k)=∑ni=1{Mi∑[∏(D1,D2,,Dm)]}(3) 式中:Mi代表控制模式中的第i种,当系统工作在第i种工作模式时,对应的Mi为TRUE,否则为FALSE;∏(D1,D2,,Dm)代表对应输入条件的逻辑最小乘积项。 根据该模型建立的压力调节系统,将任务书中不同模式下各执行机构的各种复杂控制条件变成了一个个易于表述的逻辑函数表达式。这样,在工程实施时该建模就有以下
7、几个方面的优势: (1)该模型把所有的输入条件进行了分类、归整,利用逻辑函数化简方法(如代数法、卡诺图法、系统化简法等),易于发现其中的遗漏条件、不合理条件、自相矛盾条件,甚至是错误条件,特别是对于调试过程中临时改动或增加的输入条件。 (2)该模型把众多可枚举的工作模式和输入条件进行一一对应,把复杂的系统任务分解为若干个模块级独立小任务的组合,易于工程化的实现,降低了各功能模块之间的耦合,减少了软件出错的概率。 (3)基于该模型设计的控制系统,逻辑清晰,流程顺畅,易于实现软、硬件的扩充设计。特别是模型逻辑最小项中任意项(或称约束项)的巧妙使用
8、,对于实现诸如滞环控制等功能将带来极大方便。 2压力调节系统设计 下面结合某型系留气球的实际工程设计,简要介绍一个压力
