， ，

(華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

引言

隨著深海作業(yè)的不斷發(fā)展，水下脫險(xiǎn)的研究越來(lái)越受到人們的重視。國(guó)內(nèi)外對(duì)水下脫險(xiǎn)已有許多研究，比較經(jīng)典的脫險(xiǎn)方式如前蘇聯(lián)的應(yīng)急上浮逃生艙，該逃生艙在水下作業(yè)體失事時(shí)與母體分離，自行漂浮至水面。此種脫險(xiǎn)方法對(duì)水下作業(yè)人員的健康影響最小，由于該種脫險(xiǎn)方式存在著逃生艙與母體不能成功脫離的問(wèn)題，救生效果仍存在著質(zhì)疑[1]。快速上浮法則是目前實(shí)現(xiàn)大深度水下脫險(xiǎn)的另一種主要方式，英國(guó)是應(yīng)用此技術(shù)最為發(fā)達(dá)的國(guó)家之一，國(guó)內(nèi)也開始進(jìn)行相關(guān)的研究工作[2]。快速上浮法的工作原理是：當(dāng)水下作業(yè)人員需要出水上浮時(shí)，作業(yè)人員首先進(jìn)入處于常壓狀態(tài)的逃生艙；之后關(guān)閉逃生艙艙門，打開進(jìn)水閥門或者進(jìn)氣閥門，使高壓海水或者高壓空氣注入逃生艙，對(duì)艙內(nèi)進(jìn)行加壓；通過(guò)控制閥門的開度，使艙內(nèi)壓力按一定的變化規(guī)律快速上升，直到艙內(nèi)壓力與艙外海水壓力平衡；然后經(jīng)過(guò)短時(shí)間的穩(wěn)壓過(guò)程，打開逃生艙艙門， 作業(yè)人員出艙后自由上浮至水面。此種脫險(xiǎn)方法的加壓過(guò)程很短，只有數(shù)十秒，因而作業(yè)人員暴露在高壓環(huán)境下的時(shí)間亦很短，且自由上浮又屬于快速減壓過(guò)程，在達(dá)到逃生目的的同時(shí)還可以避免減壓病的發(fā)生[3]。

從快速上浮法的工作原理可以看出，利用艙外高壓海水或者艙內(nèi)高壓氣源并通過(guò)控制閥門的開度，對(duì)艙內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確、快速加壓是至關(guān)重要的，直接影響著脫險(xiǎn)過(guò)程的成敗。本研究將依據(jù)快速上浮法對(duì)加壓過(guò)程的控制要求，在仿真研究的基礎(chǔ)上，探討構(gòu)建合理的控制系統(tǒng)，同時(shí)針對(duì)具有大延時(shí)、大滯環(huán)特性的閥門提出合適的控制策略，并通過(guò)陸上調(diào)試平臺(tái)，驗(yàn)證控制系統(tǒng)和控制策略的正確性。

1 加壓過(guò)程的控制特性要求

快速上浮脫險(xiǎn)的關(guān)鍵問(wèn)題是縮短人在高壓環(huán)境下的停留時(shí)間，以避免人體血液中出現(xiàn)氣泡以及發(fā)生各種潛水病。英國(guó)已成功完成了大深度的快速上浮實(shí)驗(yàn)，其安全脫險(xiǎn)的最大深度已達(dá)274 m[4]。英國(guó)學(xué)者由實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論認(rèn)為：整個(gè)加壓過(guò)程的時(shí)間應(yīng)小于30 s，且加壓過(guò)程壓力按指數(shù)曲線上升(壓力3～7 s增加一倍)，加壓過(guò)程要求無(wú)振蕩，無(wú)超調(diào)，誤差率小于5%[5]。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論，預(yù)定本研究的容積為1.5 m3逃生實(shí)驗(yàn)艙，要求額定逃生深度為300 m，加壓過(guò)程中壓力按指數(shù)曲線上升，最快增壓速度為每3 s增大一倍，誤差率小于5%。

2 控制系統(tǒng)及控制策略的研究

2.1 控制系統(tǒng)的研究

根據(jù)深海作業(yè)體(例如載人深潛器)的工作特性，實(shí)現(xiàn)快速加壓的壓力源可由兩個(gè)途徑獲得。一是來(lái)自深海的自然海水壓力，二是來(lái)自作業(yè)體上配備的高壓氣源，本研究將就注水加壓和注氣加壓兩種工作方式進(jìn)行討論。閥門是快速加壓系統(tǒng)的核心控制元件，閥門的選型直接關(guān)系到系統(tǒng)的控制效果。查閱資料，由于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥具有控制簡(jiǎn)單，反應(yīng)比較迅速，安全可靠的特點(diǎn)，初步選擇某氣動(dòng)控制流量調(diào)節(jié)閥模擬未來(lái)的流量調(diào)節(jié)閥，水路調(diào)節(jié)閥型號(hào)為L(zhǎng)D600P23063123X13203，通徑150 mm，開關(guān)頻率0.3 Hz，氣路調(diào)節(jié)閥通徑為50 mm，開關(guān)頻率0.3 Hz。

根據(jù)快速加壓的工作特性以及所選的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥， 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)如圖1所示。本控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、檢測(cè)反饋系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要包括主控計(jì)算機(jī)、信號(hào)采集卡和信號(hào)輸出卡，檢測(cè)反饋系統(tǒng)包括壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感、執(zhí)行機(jī)構(gòu)由氣動(dòng)先導(dǎo)式流量調(diào)節(jié)閥組成。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

2.2 控制策略的研究

基于以上系統(tǒng)硬件，模擬逃生環(huán)境為水下240 m，以最快的加壓情況(艙內(nèi)壓力每3 s增加一倍)為例，開展相關(guān)的研究工作。

由于氣動(dòng)先導(dǎo)式流量調(diào)節(jié)閥具有大延時(shí)，大遲滯的特性，常規(guī)的PID控制算法不能滿足要求，故優(yōu)先選擇模糊控制法。模糊控制不需要控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，它是一種基于規(guī)則的控制。通過(guò)將操作人員或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)編成模糊規(guī)則，然后對(duì)來(lái)自傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行模糊化，將模糊化后的信號(hào)作為模糊規(guī)則的輸入，完成模糊推理，最后將推理后得到的輸出量加到執(zhí)行器上。設(shè)計(jì)良好的模糊控制系統(tǒng)，具有很好的魯棒性[6]。

無(wú)論是注水加壓還是注氣加壓，在加壓過(guò)程中，逃生實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的壓力均要求按指數(shù)曲線上升，且隨著壓力的增大，其閥門開度越大，故構(gòu)造以誤差e和理論控制壓力p作為輸入，控制信號(hào)u作為輸出的二維模糊控制器，其工作原理如圖2所示，其中，Ke、Kp、Ku分別為誤差、壓力和輸出信號(hào)的比例因子。根據(jù)快速加壓的精度要求，可確定誤差e的實(shí)際論域?yàn)閇-0.25,0.25],理論壓力p論域?yàn)閇0,3]，輸出控制信號(hào)u論域?yàn)閇0,5]。對(duì)論域進(jìn)行模糊化，輸入及輸出均設(shè)計(jì)為11個(gè)模糊集，采用三角形函數(shù)實(shí)現(xiàn)其模糊化，隸屬函數(shù)如式(1)～(3)所示。

圖2 模糊控制原理圖

兩種工作方式均分為加壓段和保壓段。加壓段，逃生艙內(nèi)壓力按照指令曲線上升到目標(biāo)壓力；保壓段，逃生艙內(nèi)壓力穩(wěn)定在目標(biāo)壓力附近。根據(jù)本系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，確定歸納注水加壓方式的系統(tǒng)的工作規(guī)則為：系統(tǒng)誤差e較大時(shí)，選用較大的輸出控制量u，使系統(tǒng)響應(yīng)速度增快；當(dāng)誤差e較小時(shí)，使用較小的輸出控制量u，防止系統(tǒng)出現(xiàn)大的超調(diào)；當(dāng)壓力p較小時(shí)，選用較小的輸出控制量u；隨著壓力p的增大，輸出控制量也相應(yīng)增大；整個(gè)控制過(guò)程中，盡量減小閥門控制次數(shù)，控制信號(hào)變化不宜變化過(guò)快；保壓段，為消除溫度下降對(duì)艙內(nèi)壓力的影響， 閥門應(yīng)常開。 注氣加壓方式

(1)

(2)

(3)

和注水加壓方式略有不同，其氣源壓力一般要高于逃生艙內(nèi)的最終壓力。本系統(tǒng)選擇氣源壓力為4.5 MPa，由于閥門的滯后特性，當(dāng)救生艙內(nèi)壓力到達(dá)目標(biāo)壓力之前，閥門應(yīng)提前關(guān)閉，以防止艙內(nèi)壓力超調(diào)；保壓段，為消除溫度變化對(duì)艙內(nèi)壓力的影響， 閥門要在較小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)控制。由此可建立系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則見表1、表2。

根據(jù)表1、表2的模糊規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算，采用面積平分法解模糊，即可由輸入量p和e得出輸出控制量u。結(jié)合模糊控制表，運(yùn)用AMESim進(jìn)行仿真運(yùn)算，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

表1 注水加壓系統(tǒng)模糊控制規(guī)則表

表2 注氣加壓系統(tǒng)模糊控制規(guī)則表

圖3 注水加壓模糊控制仿真效果圖

圖4 注氣加壓模糊控制仿真效果圖

從圖3和圖4的對(duì)比可知，注水加壓的理論控制效果較好，注氣加壓曲線在壓力快速上升段，略有偏差，這是由閥門的提前關(guān)閉引起的。由于閥門的滯后作用，在目標(biāo)壓力到達(dá)之前，要提前關(guān)閉閥門，以防止逃生艙內(nèi)壓力發(fā)生超調(diào)，而按照注氣加壓的特點(diǎn)，隨著艙內(nèi)壓力的上升，閥門開度應(yīng)隨之變大，解決兩者矛盾的方法是選擇合適的模糊控制參數(shù)，以保證保壓段不出現(xiàn)超調(diào)，且加壓段精度在要求范圍以內(nèi)，本系統(tǒng)應(yīng)用試湊法調(diào)整比例因子的值，以達(dá)到較好的控制效果。綜上所述，系統(tǒng)在模糊控制調(diào)節(jié)下,具有很強(qiáng)的自調(diào)節(jié)能力和魯棒性，對(duì)于控制大慣性，大遲滯系統(tǒng)有很好的借鑒意義。

3 陸上聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)

由上述分析設(shè)計(jì)水下脫險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要由水下脫險(xiǎn)逃生艙、加壓控制系統(tǒng)、深海環(huán)境模擬系統(tǒng)等組成，如圖5所示。

圖5 水下脫險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖5中1、3為氣動(dòng)先導(dǎo)式流量調(diào)節(jié)閥，2為逃生艙，4為深海環(huán)境模擬系統(tǒng)，負(fù)責(zé)提供恒定的工作壓力?，F(xiàn)描述加壓過(guò)程如下：加壓開始時(shí)，逃生艙內(nèi)為常壓空氣，計(jì)算機(jī)控制閥門的開度，深海模擬系統(tǒng)內(nèi)的高壓水或者是氣源的高壓氣體進(jìn)入到逃生艙內(nèi)，艙內(nèi)壓力按指數(shù)曲線上升，直到與深海壓力平衡，之后進(jìn)入保壓段，保壓5～6 s后加壓過(guò)程結(jié)束。

運(yùn)用模糊控制法，進(jìn)行陸上聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)，得到快速加壓試驗(yàn)曲線如圖6、圖7所示。

由壓力曲線可知，實(shí)際曲線除在加壓開始段和加壓結(jié)束段偏離實(shí)際曲線較大以外， 其余跟隨良好。 加壓開始時(shí)，閥門由靜止到運(yùn)動(dòng)，由于靜摩擦力較大， 存在一段死區(qū)，故開始時(shí)段壓力略小于理論壓力，隨著閥門的調(diào)節(jié)作用增大，誤差逐漸減?。粚?duì)于注水加壓方式，加壓結(jié)束段由于救生艙內(nèi)壓力不斷升高，且與深海模擬系統(tǒng)壓差不斷縮小，因而流量減小，故在轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)實(shí)際壓力略小于理論壓力的情況，而對(duì)于注氣加壓方式誤差則是由于閥門的提前關(guān)閉引起的，但兩者均在允許的誤差范圍內(nèi)，采樣點(diǎn)誤差如表3、表4所示。由此可以得出：本控制策略設(shè)計(jì)合理，滿足精度要求。

圖6 注水加壓實(shí)驗(yàn)壓力曲線

圖7 注氣加壓實(shí)驗(yàn)壓力曲線

圖8 注水加壓實(shí)驗(yàn)溫度曲線

圖9 注氣加壓實(shí)驗(yàn)溫度曲線

綜上研究，我們還可以進(jìn)一步得出：對(duì)比注水加壓和注氣加壓兩種加壓方式，就逃生艙內(nèi)溫度的變化情況而言， 注水加壓方式會(huì)使艙內(nèi)氣體的最高溫度達(dá)到185 ℃，注氣加壓方式達(dá)到93 ℃，雖然氣加壓過(guò)程中氣體的最高溫度明顯低于水加壓過(guò)程，但在實(shí)際應(yīng)用中，均應(yīng)考慮采取必要的降溫措施，以使艙內(nèi)氣體的溫度處于人體可接受的范圍；就控制效果而言，注水加壓方式在保壓段不需對(duì)閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，而對(duì)于注氣加壓方式，由于氣源壓力高于目標(biāo)壓力，保壓段仍需對(duì)閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，以消除溫度下降對(duì)艙內(nèi)壓力的影響，故水加壓方式控制過(guò)程較為簡(jiǎn)單；就工作要求而言，注氣加壓方式對(duì)氣源有要求，在氣源得不到保證的情況下，建議優(yōu)先考慮注水加壓方式。

表3 注水加壓實(shí)驗(yàn)采樣點(diǎn)誤差

表4 注氣加壓實(shí)驗(yàn)采樣點(diǎn)誤差

4 結(jié)論

探討了一種基于模糊控制的快速加壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可分別進(jìn)行注水加壓和注氣加壓實(shí)驗(yàn)。針對(duì)該系統(tǒng)的核心控制元件先導(dǎo)式氣動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥具有大遲滯和非線性的特點(diǎn)，本研究基于AMESim仿真平臺(tái)，優(yōu)選了模糊控制策略。根據(jù)要求構(gòu)建了陸上調(diào)試平臺(tái)，并采用模糊控制法，實(shí)現(xiàn)了快速加壓過(guò)程的精確控制，驗(yàn)證了通過(guò)快速加壓實(shí)現(xiàn)深?？焖偕细∶撾U(xiǎn)的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張萬(wàn)波,等.潛艇逃生和營(yíng)救技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].船海工程，2002，(5)：61-64.

[2] 李其修，劉輝，吳向軍.快速脫險(xiǎn)技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].江蘇船舶，2011，(4)：45-52.

[3] Srinivasan R,Rengasw arm R.Stiction Coppensation in Process Control Loops A Framework for Integrating Stiction Measure and Compensation[J].Industrial and Engineering Chem is try Research,2005，(44)：40-44.

[4] Vanliew H D.Mechanical and Physical Factories in Lung Function During Work in Dense Environment[J].Undersea Biomed Res,1983，(10)：7-11.

[5] Deborough L D，MillerR M.Increasing Custom Ervalue of Industrial Control Performance Monitoring-honeywell’s Experience[C].AIChE Symposium Series,2001:172-179.

[6] 黃衛(wèi)華.模糊控制系統(tǒng)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.