一種浮空器壓力調(diào)節(jié)綜合控制系統(tǒng)設(shè)計

吳有恒，譚百賀

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 浮空平臺部， 安徽 合肥 230031)

摘要：針對現(xiàn)有浮空器壓力控制系統(tǒng)設(shè)計的不足，結(jié)合浮空器的使用環(huán)境，提出了一種基于雙機冗余熱備份、嵌入式CPU、高精度實時數(shù)據(jù)采集與處理的壓力調(diào)節(jié)控制裝置解決方案。首先建立了浮空器的壓差數(shù)學模型；接著，以該模型為基礎(chǔ)，進行壓力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計，包括多余度壓力控制系統(tǒng)設(shè)計、仲裁融合應(yīng)急處理設(shè)計、壓力自控設(shè)計。最后，采用該種設(shè)計的系留氣球的空中試驗結(jié)果表明，該壓力系統(tǒng)控制能夠根據(jù)氣球所處不同的工作狀態(tài)，融合傳感網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，自主選擇自控程序入口，較好的對氣球氣囊壓力進行了有效調(diào)節(jié)與控制，保證了氣球的安全。

關(guān)鍵詞：浮空器；壓力控制；雙機冗余

收稿日期：2014-07-20

作者簡介：吳有恒(1980-)，男，湖北武穴人，工程師，主要從事浮空器電訊總體設(shè)計工作。

中圖分類號：V245.4文獻標識碼：A

浮空器是指輕于空氣的飛行器，包括飛艇和系留氣球等。為了獲得足夠的靜浮力來克服自身重量，浮空器一般設(shè)計有具有一定體積的氣囊并在氣囊內(nèi)充入密度小于環(huán)境空氣的氣體，如氦氣等。為了使搭載的任務(wù)載荷能升到指定的空中，浮空器的體積要求一般比較龐大。為了保證浮空器氣囊膨脹成型、并保持剛度和承載力，浮空器充入各氣囊內(nèi)的氣體壓力與大地環(huán)境大氣壓力要有一定的超壓，而由于囊體材料的強度關(guān)系，這種超壓不能過大。在飛行的過程中，由于溫度、高度等外界因素會在不斷的變化，其內(nèi)部氣囊的氣體壓力以及外部大氣壓也會隨著外界條件的變化而劇烈變化。因此，為了保持囊體外形及飛行器的安全，必須對浮空器的氣囊壓力進行有效調(diào)節(jié)與控制，使氣囊與外界環(huán)境的差壓始終控制在一定的范圍之內(nèi)[1]。

壓力調(diào)節(jié)綜合控制系統(tǒng)正是為了解決這一問題而提出，其是一個多傳感器輸入、多執(zhí)行機構(gòu)輸出的復(fù)雜系統(tǒng)[2]，在設(shè)計時，既要考慮系統(tǒng)運行平臺、傳感器選型、輸入輸出接口設(shè)計等電性能指標，更重要的是必須考慮安全性設(shè)計、可靠性設(shè)計等，同時根據(jù)浮空器的特點，還要兼顧考慮程序遠程下載、功能擴展等多方面因素，其有效可靠運行是浮空器能否正常平穩(wěn)安全放飛的前提和保障，是浮空器系統(tǒng)中一個十分重要的組成部分。不過，目前常規(guī)的設(shè)計都是基于功能單一、實時性差、模塊化開發(fā)不夠的硬件開發(fā)平臺，這種設(shè)計，冗余度不夠，抗干擾能力不強，長時間工作穩(wěn)定性不高，難以滿足浮空器日益需要精準可靠控制的復(fù)雜度要求。本文針對現(xiàn)有浮空器壓力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計的不足，在分析了浮空器氣囊差壓數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于雙機冗余熱備份、嵌入式CPU、高精度實時數(shù)據(jù)采集與處理及模塊化設(shè)計的壓力調(diào)節(jié)控制解決方案。

1浮空器的差壓數(shù)學建模

1.1差壓分布數(shù)學模型

差壓即浮空器氣囊內(nèi)外氣體的壓力之差：

DP=Pin-Pout

(1)

其中，Pin為氣囊內(nèi)部壓力，Pout為氣囊外部壓力，在重力場中，氣囊內(nèi)外氣體的壓力均隨高度變化，則差壓的分布也隨高度的變化而變化。不考慮氣囊本身的重量，氣體壓力沿囊體高度方向的變化為：

dP=-ρgdh

(2)

式中ρ為氣密度，g為重力加速度，h為氣囊囊體壁上下高度差，根據(jù)完全氣體狀態(tài)方程，(2)式又可以寫作：

(3)

式中R為氣體常數(shù)， T為溫度。將(2)或(3)式沿高度方向?qū)饽覂?nèi)外氣體分別積分，再根據(jù)(1)式即可求得氣囊內(nèi)的差壓分布。

1.2差壓-溫度數(shù)學建模

假設(shè)氣囊內(nèi)外的氣體溫度沿高度方向呈線性分布：

Tin=Tin0-kinh

(4)

Tout=Tout0-kouth

(5)

其中Tin0、Tout0分別為氣囊內(nèi)外氣體的溫度，kin、kout分別為氣囊內(nèi)外氣體的溫度梯度。根據(jù)(3)式積分可分別求得氣囊內(nèi)外氣體的壓力分布：

(6)

(7)

其中DP0為氣囊底部氣體差壓，Rin、Rout分別為氣囊內(nèi)外的氣體常數(shù)。

將(6)、(7)式代入(1)式，得氣囊內(nèi)的差壓分布為：

(8)

1.3差壓-升空高度數(shù)學建模

對于總體積V一定的浮空器，在某一海拔高度處差壓的變化會導(dǎo)致氣囊內(nèi)氣體質(zhì)量的變化。浮空器的總質(zhì)量包括結(jié)構(gòu)設(shè)備質(zhì)量和氣囊內(nèi)的氣體質(zhì)量兩部分。

浮空器在升空過程中，主氣囊內(nèi)浮升氣體的摩爾量是保持不變的，氣體總摩爾量的變化完全由副氣囊中的空氣來承擔，根據(jù)氣體狀態(tài)方程，氣體的質(zhì)量變化可寫作：

(9)

其中mb為副氣囊空氣質(zhì)量，Rb為空氣氣體常數(shù)。

當氣囊內(nèi)氣體的差壓改變時，浮空器的總重量發(fā)生變化，進而將影響到浮空器的升空高度。

浮空器的重浮力平衡關(guān)系式為：

(10)

其中ρa、ρb和ρc分別為環(huán)境大氣、副氣囊空氣和浮升氣體密度，Vc為主氣囊浮升氣體體積，ms為結(jié)構(gòu)設(shè)備質(zhì)量。

引入完全氣體狀態(tài)方程，并設(shè)環(huán)境空氣與副氣囊空氣的氣體常數(shù)一致，浮升氣體與副氣囊空氣的差壓一致，可以得到環(huán)境大氣密度與環(huán)境大氣壓力及氣囊超壓的關(guān)系式：

(11)

其中Ra和Rc分別為環(huán)境大氣和浮升氣體的氣體常數(shù)，Pa為環(huán)境大氣壓力。

由于ρa與Pa均為海拔高度的函數(shù)，對于給定體積、結(jié)構(gòu)質(zhì)量等參數(shù)的浮空器，由(11)式即可求得升空高度與氣囊超壓的關(guān)系。

2壓力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1多余度壓力控制系統(tǒng)設(shè)計

壓力調(diào)節(jié)設(shè)計就是根據(jù)外界環(huán)境的變化導(dǎo)致的氣囊壓力變化，適時通過控制各氣囊風機、閥門的開關(guān)，實現(xiàn)氣囊的壓力控制，使之始終處于一個合理的差壓范圍內(nèi)，保持囊體合適的剛度與強度。根據(jù)浮空器的實際工作特點，在任何時候都要確保壓力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的正常有效工作，因此，其設(shè)計重點是需要對各個功能環(huán)節(jié)進行充分合理的余度設(shè)計，對熱備份工作的各余度單元進行完善的管理與仲裁，從而實現(xiàn)浮空器壓力調(diào)節(jié)的綜合控制。如圖1所示，通過嵌入式雙冗余熱備份計算機進行差壓數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸及執(zhí)行機構(gòu)的工作模式控制。在計算機的DOC中裝入實時嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks，利用Tornado開發(fā)工具，根據(jù)壓力調(diào)節(jié)控制裝置需要進行編程，并可根據(jù)需要隨時進行遠程動態(tài)加載和更新。在現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的仲裁下使狀態(tài)最優(yōu)的計算機處于工作狀態(tài)[3]。壓力采集單元將采集好的數(shù)據(jù)按照4~20mA和RS485兩種數(shù)據(jù)形式進行輸出，4~20mA經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)輸入輸出接口單元送到FPGA中的數(shù)據(jù)單元進行濾波存儲；經(jīng)485接口輸出的壓力數(shù)據(jù)通過串口Hub，將串口信號轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號，直接通過網(wǎng)絡(luò)，由計算機讀取進行軟件濾波處理[4]。嵌入式計算機對多通道的壓力數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)通過對比分析采用置信度高的源信息作為有效處理數(shù)據(jù)。計算機將采集到的氣囊壓力數(shù)據(jù)值與設(shè)定的壓力控制值進行比較，當壓力數(shù)值高于設(shè)定的壓力值時，打開對應(yīng)的氣囊閥門，當壓力數(shù)值低于設(shè)定的壓力值時，打開對應(yīng)的風機，直至氣囊壓力回到正常設(shè)定范圍內(nèi)，關(guān)閉風機或閥門[5]。當浮空器遭遇極端惡劣情況，雙機都失效時，還可以通過FPGA中的應(yīng)急自動處理核，通過定制的通信格式，實現(xiàn)對壓力數(shù)據(jù)的采集和下傳，接收地面上傳指令對執(zhí)行機構(gòu)的控制操作。

圖1壓力采集框圖

2.2仲裁融合應(yīng)急處理設(shè)計

雙機冗余熱備份的仲裁融合就是通過對兩個測控計算機輸入的狀態(tài)信息進行判斷[6]。根據(jù)故障狀態(tài)的優(yōu)先級進行逐級判定，優(yōu)先級最高的就是兩個計算機的工作狀態(tài)，其次是主備機讀取到的壓力數(shù)據(jù)狀態(tài)，再次是執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動控制狀態(tài)，如果計算機主備機一個出現(xiàn)故障，仲裁單元通過切換裝置，選擇工作狀態(tài)正常的計算機，當兩計算機都正常工作時，優(yōu)先選擇主計算機；當兩計算機意外都出現(xiàn)嚴重故障時，仲裁與融合單元立即切換到FPGA中的應(yīng)急處理核，通過應(yīng)急處理核中雙口RAM中存儲好的壓力參數(shù)，按照預(yù)先編定的串行通信格式打包，再通過串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)的串口Hub,以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包快速下傳；同時地面控制指令也以編定好的格式上傳到應(yīng)急處理核中，應(yīng)急處理核通過解讀上傳指令，再通過控制模塊驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)繼電器，實現(xiàn)對風機、閥門的開關(guān)動作，使囊體壓力始終處于可控之中，處理流程如下圖2所示。

2.3壓力自控設(shè)計

根據(jù)浮空器的工作特點，浮空器充氣組裝完成后，壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)就必須處于工作狀態(tài)，自控功能的穩(wěn)定性與完善性直接影響到浮空器的使用與安全。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制方法不是很復(fù)雜，從廣義上來說，可以說是PID控制，通過比較氣囊壓差與設(shè)定值的關(guān)系來實現(xiàn)在不同區(qū)間浮空器壓力的控制，具體算法不再贅述。其實現(xiàn)主要通過壓力自控系統(tǒng)中的雙嵌入式計算機中的自控軟件來保證。計算機首先融合浮空器傳感器網(wǎng)絡(luò)及執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)信息，綜合分析判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)，當氣囊過壓或執(zhí)行機構(gòu)故障，判斷為何種故障，并直接啟動系統(tǒng)報警裝置。同時，根據(jù)浮空器的地面系留、收放速度、空中停泊不同工作狀態(tài)，自主適應(yīng)選擇不同壓力調(diào)節(jié)自控程序入口，在進入各工作狀態(tài)后，根據(jù)不同空速，再次自主適應(yīng)不同壓力自控程序入口，實現(xiàn)對囊體壓力外形保持及升力浮力調(diào)節(jié)的準確控制。

圖2　應(yīng)急處理流程圖

3試驗驗證

圖3為某空中試驗系留氣球在海拔高度為500米任務(wù)點自主執(zhí)行任務(wù)過程中高度、溫度、氣囊差壓的對比曲線。整個飛行過程由壓力調(diào)節(jié)綜合控制系統(tǒng)進行自主控制，無人工干預(yù)。該壓力系統(tǒng)控制根據(jù)氣球所處不同的工作狀態(tài)，融合傳感網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，自主選擇自控程序入口，較好的對氣球氣囊壓力進行了有效調(diào)節(jié)與控制，保證了氣球的安全，圖3(c)與所示實際控制效果與所設(shè)置的控制區(qū)間吻合。

(a)飛行高度曲線

(b)滯空所處環(huán)境溫度曲線

(c)氣囊差壓曲線

4結(jié)語

壓力調(diào)節(jié)控制是浮空器系統(tǒng)中的一個十分重要的功能，關(guān)系到浮空器的性能和安全。本文提出的浮空器囊體外形保持及升力浮力調(diào)節(jié)的控制工程實現(xiàn)方法通過實際空中試驗，可以看出能很好解決浮空器長時間工作，壓力調(diào)節(jié)控制裝置高可靠穩(wěn)定運行的工程難題。

參考文獻

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[責任編輯、校對：周千]

Design of Pressure Integrated Control System of an Aerostat

WUYou-heng，TANBai-he

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230031,China)

Abstract：To solve the problems in the existing pressure control system of aerostat, the corresponding pressure control solution is put forward in consideration of the analysis of mathematical model about the air bag super pressure effects due to the variations of height and temperature based on dual-computer hot redundancy, embedded CPU, high-precision real-time data collecting and processing, as well as the operation environment of the aerostat. Firstly the difference model is built. Then based on the model, the pressure integrated system is designed, including the design of redundancy pressure integrated control system, the design of arbitrate amalgamation lash-up operation and the design of pressure auto-control. Lastly, the results of aerostat air test which utilize this design show that the pressure integrated control system could introject the status messages of sensor net, auto choose the entrance of auto control program according to the different operation status, and the pressure of aerostat cell is adjusted and controlled effectively which assure the safety of aerostat.

Key words：aerostat；pressure control；dual-computer redundancy