系留气球压力调节系统的建模和设计

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  • 摘 要:为了设计一种更安全有效的系留气球压力调节系统测控方法,首先分析系留气球压力调节系统的运行原理,并根据系留气球系统的实际工程需求对压力调节系统进行建模和分析;给出据此模型创建的一种具备可自由扩充条件的压力调节控制策略。该策略把工程设计中的输入量和输出量有效分类,并利用严格的传递函数表达式将两者表述出来,在气球的安全控制和程序编制方面有很大的改进。最后简要描述了已研制成功的某型系留气球压力调节系统的硬件设计和软件设计方法,并给出通过系统实际运行的实验结果,验证了该模型的正确性。
    关键词:系留气球;压力调节系统;建模;传递函数


    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。

        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:

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