系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建模和設(shè)計(jì)

摘 要：為了設(shè)計(jì)一種更安全有效的系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)測控方法，首先分析系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行原理，并根據(jù)系留氣球系統(tǒng)的實(shí)際工程需求對壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析；給出據(jù)此模型創(chuàng)建的一種具備可自由擴(kuò)充條件的壓力調(diào)節(jié)控制策略。該策略把工程設(shè)計(jì)中的輸入量和輸出量有效分類，并利用嚴(yán)格的傳遞函數(shù)表達(dá)式將兩者表述出來，在氣球的安全控制和程序編制方面有很大的改進(jìn)。最后簡要描述了已研制成功的某型系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方法，并給出通過系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了該模型的正確性。
關(guān)鍵詞：系留氣球；壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)；建模；傳遞函數(shù)

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(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)在空中的長時間駐留，其在通信、公共安全、地質(zhì)勘探、軍事用途和商業(yè)活動等多種場合有著廣闊的應(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、通訊、計(jì)算機(jī)、傳感器、材料和有效載荷等多個學(xué)科。
    壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是系留氣球系統(tǒng)中一個重要的分系統(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)的錯誤動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，甚至球皮被錯誤撕裂等嚴(yán)重故障，這對于整個氣球任務(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，既需要嚴(yán)格保證各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在既定模式下動作的準(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。

    壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在上述工作模式時，對各個執(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各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，氣動總體設(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，所以必須對系留氣球壓力調(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，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，對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：
   
    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?xì)w納到此條件中，此時從概率學(xué)角度描述應(yīng)該滿足：

   
    至此把可能影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作的所有輸入條件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。
    針對任何一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(shù)總可以表示為：

   
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，對應(yīng)的Mi為TRUE，否則為FALSE；代表對應(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個易于表述的邏輯函數(shù)表達(dá)式。這樣，在工程實(shí)施時該建模就有以下幾個方面的優(yōu)勢：
    (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)化簡方法(如代數(shù)法、卡諾圖法、系統(tǒng)化簡法等)，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，甚至是錯誤條件，特別是對于調(diào)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(jìn)行一一對應(yīng)，把復(fù)雜的系統(tǒng)任務(wù)分解為若干個模塊級獨(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)，簡要介紹一個壓力調(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，既要考慮系統(tǒng)運(yùn)行平臺、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)時操作系統(tǒng)的雙冗余計(jì)算機(jī)作為球上信息處理平臺。該平臺具有方便集成開發(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)備平臺使用。相對球上而言，球下的設(shè)備相對單一，僅為一臺6U結(jié)構(gòu)的CPCI計(jì)算機(jī)提供氣球測控系統(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，應(yīng)從以下幾個方面權(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)對被測量參數(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)各傳感器的輸出量優(yōu)選數(shù)字信號，且通訊接口優(yōu)選抗干擾能力強(qiáng)的RS 422或RS 485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。同時還要根據(jù)氣動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、干擾對象和干擾路徑三個方面分析人手，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，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10 s)；
    (2)纜繩拉力持續(xù)小于某值(如：持續(xù)10 s拉力小于100 kg)；
    (3)球上降壓變壓器輸入端線電壓過低(如：三相電壓皆小于100 V)；
    (4)主氣囊與外界大氣壓力差大于某值(如：100 mmH20)；
    (5)在GPS正常的前提下，球體高度大于某值一定時間(如：超過10 s高于4 000 m)；
    此時若判定纜繩正常，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)式控制各個執(zhí)行件動作。

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)式對應(yīng)到各個執(zhí)行器的控制中去，降低了軟件編制的復(fù)雜度，減少了錯誤的發(fā)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(tǒng)中，對控制系統(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)施的各個方面，具有較高的可靠性和良好的擴(kuò)展性?；谶@種控制模型設(shè)計(jì)的某系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，長期以來系統(tǒng)功能正常，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。