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系留气球压力调节系统的软硬件设计和应用研究

1、引 言

系留气球作为一种浮空平台,其基础事情道理是使用气球囊体内的添补气体在空气中孕育发生的浮力搭载有效载荷,并经由过程系留缆绳的拖曳实现在空中的长光阴驻留,其在通信、公共安然、地质勘探、军事用途和商业活动等多种场合有着广阔的利用前景。系留气球系统是一项繁杂的系统工程,涉及到气动、通讯、谋略机传感器、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紧张的分系统,它的主要功能是根据气球系统的不合事情模式和外部前提,经由过程节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,负气球维持既定的气动形状,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条件和保障,履行器(主要包括风机、阀门、撕裂幅等)的差错动作有可能致负气球因形状变更而导致姿态掉衡,以及因内外压差过大年夜而导致气球囊体爆裂,以致球皮被差错撕裂等严重故障,这对付全部气球义务系统而言都是致命的。是以在进行压力调节系统的软、硬件设计时,既必要严格包管各履行机构在既定模式下动作的准确性和有效性,又必要最大年夜限度地前进自身运行的靠得住性。

压力调节系统在上述事情模式时,对各个履行机构所需的节制输入项和节制准则不尽相同,而且还要斟酌到针对各履行机构的节制,气动总体设计师可能在系统设计初期无法给出完备而准确的输入前提,从而带来调试历程中的各种篡改,以是必须对系留气球压力调节系统进行建模阐发,以期找到一种安然、有效、靠得住且可扩充的节制策略,否则难以包管系统设计能完全满意要求。

建模时,首先要把压力调节系统中所有事情模式Mi下所有可能影响履行机构动作的输入前提D归类,并将输入前提类之间的关系解耦合,把输入前提类之间变得互相自力。此时,对付随意率性的输入前提类Di和Dj从概率学角度描述应该满意:

然后将同一类的输入前提Di整个分化为多少个互斥的Di1,Di2,…,Dik,且为遍历分化,即把每个类的各类环境都归纳到此前提中,此时从概率学角度描述应该满意:

至此把可能影响履行机构动作的所有输入前提D整个分化为“类间自力,类内互斥”的子前提Dik,为节制通报函数的建立,创造了可应用的输入变量。

针对任何一个履行机构Q(k),假如抉择其动作的输入前提有D1,D2,…,Dm,则对付不合的事情模式Mi,其通报函数总可以表示为:

式中:Mi代表节制模式中的第i种,当系统事情在第i种事情模式时,对应的Mi为TRUE,否则为FALSE;代表对应输入前提的逻辑最小乘积项。

根据该模型建立的压力调节系统,将义务书中不合模式下各履行机构的各类繁杂节制前提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几个方面的上风:

(1)该模型把所有的输入前提进行了分类、归整,使用逻辑函数化简措施(如代数法、卡诺图法、系统化简法等),易于发明此中的漏掉前提、分歧理前提、自相抵触前提,以致是差错前提,分外是对付调试历程中临时篡改或增添的输入前提。

(2)该模型把浩繁可罗列的事情模式和输入前提进行逐一对应,把繁杂的系统义务分化为多少个模块级自力小义务的组合,易于工程化的实现,低落了各功能模块之间的耦合,削减了软件掉足的概率。

(3)基于该模型设计的节制系统,逻辑清晰,流程顺畅,易于实现软、硬件的扩充设计。分外是模型逻辑最小项中随意率性项(或称约束项)的奇妙应用,对付实现诸如滞环节制等功能将带来极大年夜方便。

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,简要先容一个压力调节系统的设计实例。

2.1 硬件设计

因为系留气球压力调节系统是一个多传感器输入、多履行机构输出的繁杂系统,硬件设计时,既要斟酌系统运行平台、传感器选型、输入/输出接口设计等电机能指标,更紧张的是必须斟酌安然性设计、靠得住性设计、电磁兼容性设计等方面,同时还要兼顾斟酌远程下载法度榜样的设计、有效载荷系统等多方面身分的影响。系留气球压力调节系统的硬件设备散播在球上和球下两部分。两部分设备经由过程系留缆绳中的光纤和无线通讯设备进行数据互换。

首先要确定的是压力调节系统运行平台的选择。因为球上有大年夜量的传感器设备和履行机构,接口浩繁,而且斟酌到远程更新法度榜样的必要,故选择基于PC104总线架构、收集通讯机制和VxWorks实时操作系统的双冗余谋略机作为球上信息处置惩罚平台。该平台具有方便集成开拓,靠得住性高,体积重量小,支持远程下载法度榜样等特征,异常得当作为球上设备平台应用。相对球上而言,球下的设备相对单一,仅为一台6U布局的CPCI谋略机供给气球测控系统的人机界面。

传感器是压力调节系统中输入信息的紧张滥觞,此中可能应用履新压传感器、风速风向仪、三维姿态传感器、GPS/北斗机、缆绳拉力传感器、温湿度传感器等不合类型的传感器。在传感器设计选型时,应从以下几个方面权衡斟酌:

(1)各传感器的量程、分辨率、相应速率等指标要相符系统对被丈量参数的要求;

(2)各传感器的情况适应性(包括温湿度、海拔高度、气压、电磁情况等);

(3)各传感器的输出量优选数字旌旗灯号,且通讯接口优选抗滋扰能力强的RS 422或RS 485接口;

(4)各传感器的供电、尺寸、体积、重量等指标要合理。

纵然对付应用系留缆绳内光纤通讯的系统而言,无线通讯设备也是应急时球上球下通信的紧张保障。根据必要,其间传输的既有一样平常的节制敕令和回馈敕令,也可能包括视频监控图像,是以在选择无线通讯设备时要综合斟酌通讯间隔、频段、带宽、与负载设备的电磁兼容性等身分。同时还要根据气动总体输入的气球最大年夜姿态偏移和位置飘移确定球上球下通讯天线的覆盖范围,以包管在极限环境下两处通讯的正常进行。通讯设备的天线一样平常遵照“球上全向,球下定向”的原则,包管通讯旌旗灯号的有效重叠覆盖。

电磁兼容设计是包管系统正常事情的紧张条件,分外是球上设备中的整流/逆变电源,以及压力调节系统中的机电设备、无线通讯设备、有效负载系统、空间电磁辐射和接地电阻大年夜(以致浮地)等诸多身分交织在一路,导致球上设备事情的电磁情况非常繁杂,以是必须在系统设计初期就把电磁兼容设计作为一项系统工程,从滋扰源、滋扰工具和滋扰路径三个方面阐发人手,广泛采纳樊篱、加装磁环、地线单点等电位技巧手段。

2.2 软件设计

斟酌到通讯中断等极度环境,除了系统事情在人工节制模式时,压力调节系统的绝大年夜部分节制策略都是由球上谋略机体例软件完成的,以是球上压力调节节制软件既能进行自立压力调节节制,又能根据球下操纵台的敕令进行节制。

节制软件首先根据外部输入的信息判断当前的事情模式。比如判断缆绳断裂必须同时满意以下五个前提,否则不鉴定为缆绳断裂:

(1)光缆通讯中断光阴大年夜于某值(如:大年夜于10 s);

(2)缆绳拉力持续小于某值(如:持续10 s拉力小于100 kg);

(3)球上降压变压器输入端线电压过低(如:三相电压皆小于100 V);

(4)主气囊与外界大年夜气压力差大年夜于某值(如:100 mmH20);

(5)在GPS正常的条件下,球体高度大年夜于某值必然光阴(如:跨越10 s高于4 000 m);

此时若鉴定缆绳正常,再根据当前的通讯状态判断是进入Ma1模式(缆绳正常、通讯正常),照样进入Ma2模式(缆绳正常、通讯中断)。

当准确鉴定了压力调节系统当前的事情模式Mi后,节制软件会根据当前模式所必要的输入前提一一按照既定的逻辑函数表达式节制各个履行件动作。

3、 结 语

本文先容的压力调节系统建模规划能有效地将系留气球压力调节系统中应用到的繁杂的输入变量归纳分类,并经由过程了了的函数表达式对应到各个履行器的节制中去,低落了软件体例的繁杂度,削减了差错的发生。同时,文中描述的建模措施能够方便地拓展到其他节制系统中,对节制系统的软件体例具有有益的参考感化。硬件系统的搭建斟酌了工程设计和实施的各个方面,具有较高的靠得住性和优越的扩展性。基于这种节制模型设计的某系留气球压力调节系统,经久以来系统功能正常,运行稳定靠得住。

责任编辑:gt

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