楊海燕，喻俊峰

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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密閉艙室超壓控制方法

楊海燕，喻俊峰

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

考慮到合理控制方法是建立和維持密閉艙室超壓的關(guān)鍵，對(duì)超壓開環(huán)控制方法、閉環(huán)控制方法進(jìn)行分析對(duì)比，總結(jié)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種階段控制方法，以期結(jié)合開環(huán)控制和閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，階段控制方法有效。

密閉艙室；超壓；控制方法；開環(huán)；閉環(huán)

密閉艙室超壓控制系統(tǒng)工作時(shí)，需要快速達(dá)到超壓，并保持穩(wěn)定，為保證安全舒適，要求在建壓過(guò)程中超壓上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間短，超調(diào)量小，振蕩小。由于艙室的密閉性，為保證艙內(nèi)人員有足夠的新鮮空氣，一般要求鼓入艙室的空氣流量穩(wěn)定在某一個(gè)值附近。為了便于分析，將鼓入艙室的空氣流量設(shè)為常量，并忽略密閉艙室的空氣泄露和溫度變化。系統(tǒng)采用控制艙室空氣泄放量的方式，將艙室超壓穩(wěn)定在目標(biāo)值，視系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)后的超壓值Δp為常量。

1 系統(tǒng)模型

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，密閉艙室超壓控制系統(tǒng)的微分方程[1]表達(dá)為

Qxdt-Qydt=C·d(p(t))

(1)

式中：Qx為鼓入艙室的空氣流量；Qy為流出艙室的空氣流量(即泄放流量)；p(t)為密閉艙室超壓；C為與艙室容積、氣體常數(shù)、溫度等有關(guān)的常數(shù)。

Qx為本系統(tǒng)的輸入，一般情況下，通過(guò)風(fēng)量控制裝置將Qx定為恒定量(實(shí)際情況是在某一固定值附近小范圍波動(dòng))，Qy為與p(t)有關(guān)的變量。

(2)

式中：S,ρ(t),ξ,p(t)分別為泄放孔截面積、艙室大氣密度、泄放孔阻尼系數(shù)，艙室初始大氣壓力；p(t)為本系統(tǒng)輸出。

2 超壓控制方法

2.1 開環(huán)控制方法

通過(guò)式(1)和式(2)計(jì)算得出泄放孔截面積S(系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)Qx=Qy)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)進(jìn)行S修正。開環(huán)控制系統(tǒng)工作前，即將泄放孔固定。

開環(huán)控制系統(tǒng)工作時(shí)，往密閉艙室鼓入新風(fēng)，新風(fēng)量Qx為單位階躍輸入，艙室超壓p(t)隨時(shí)間逐漸上升，是一條單調(diào)的上升曲線，穩(wěn)態(tài)值為目標(biāo)超壓Δp，此時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定，典型的超壓曲線見圖1[2]。

開環(huán)控制系統(tǒng)壓力上升平穩(wěn)，隨時(shí)間推移，穩(wěn)態(tài)值與目標(biāo)值越接近，可認(rèn)為實(shí)時(shí)壓力達(dá)到目標(biāo)值的98%為穩(wěn)定，其穩(wěn)態(tài)時(shí)間與系統(tǒng)的固有特性相關(guān)。

但開環(huán)控制系統(tǒng)存在抗干擾能力差、穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，泄放孔截面積S是其關(guān)鍵參數(shù)，直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)值，實(shí)際系統(tǒng)中，由于存在艙室結(jié)構(gòu)泄露，理論計(jì)算的S一般比實(shí)際工作的截面積大。系統(tǒng)工作中存在的擾動(dòng)，也將影響穩(wěn)態(tài)值。要想準(zhǔn)確控制穩(wěn)態(tài)值在目標(biāo)值附近，需要根據(jù)當(dāng)前超壓實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)泄放孔截面積S，引入閉環(huán)控制方法。

2.2 閉環(huán)控制方法

閉環(huán)控制系統(tǒng)中，通過(guò)實(shí)時(shí)采集艙室超壓，通過(guò)一定控制算法，不斷地調(diào)節(jié)泄放孔截面積S，直至實(shí)現(xiàn)維持艙室超壓在目標(biāo)值附近。當(dāng)艙室超壓在目標(biāo)值一定誤差范圍內(nèi)如(±2%)，可視為系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。閉環(huán)控制原理見圖2。

控制器通常可采用PID調(diào)節(jié)法，典型的PID調(diào)節(jié)控制原理見圖3。

目標(biāo)壓力與當(dāng)前壓力的差值e(t)為調(diào)節(jié)器輸入，將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象(如泄放閥的泄放孔截面積)進(jìn)行控制。PID控制算法[2]表達(dá)為

(3)

PID控制引入了壓力微分和積分環(huán)節(jié)，結(jié)合式(1)和式(2)，超壓控制系統(tǒng)可表述為二階系統(tǒng)[2]，其對(duì)單位階躍輸入Qx的響應(yīng)為減幅振蕩函數(shù)，系統(tǒng)開始工作后超壓連續(xù)經(jīng)歷波峰、波谷，經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期后，振蕩幅度逐漸減小后穩(wěn)定。閉環(huán)控制系統(tǒng)典型的理論超壓控制曲線見圖4。

比較圖4和圖3可見，閉環(huán)控制系統(tǒng)的超壓響應(yīng)速度、穩(wěn)定時(shí)間快于開環(huán)控制系統(tǒng)，但系統(tǒng)在第一個(gè)振蕩周期振幅較大，其超壓最大值pt及此后的最小值pb，對(duì)系統(tǒng)的工作有影響。在密閉艙室，超壓過(guò)高可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)、設(shè)備造成物理破壞，帶來(lái)人體耳膜的不適；超壓過(guò)低則不足以抵御外界動(dòng)壓的沖擊。因此，閉環(huán)控制系統(tǒng)還應(yīng)控制超壓最大值pt及此后的最小值pb在合理的范圍內(nèi)，一般可要求：

1)超壓控制系統(tǒng)應(yīng)規(guī)定合理的超壓波動(dòng)指標(biāo)。

2)超壓最大值pt及此后的最小值pb在超壓波動(dòng)指標(biāo)內(nèi)。

采用合理的PID參數(shù)(Kp,Ti,Td)可以有效限值超壓最大值pt及此后的最小值pb，該參數(shù)是經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，需要在系統(tǒng)調(diào)試中反復(fù)試驗(yàn)才能最終確定。

2.3 階段控制方法

開環(huán)控制系統(tǒng)壓力曲線平滑，呈單調(diào)上升趨勢(shì)，其不足在于壓力響應(yīng)速度慢、穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)、難以應(yīng)對(duì)外部擾動(dòng)；而閉環(huán)控制系統(tǒng)壓力區(qū)域呈衰減振蕩趨勢(shì)，壓力響應(yīng)速度快、穩(wěn)定時(shí)間短，其不足在于存在壓力超調(diào)情況，如果控制程序不得當(dāng)或是PID參數(shù)不合理，還可能產(chǎn)生超壓持續(xù)小范圍波動(dòng)，帶來(lái)穩(wěn)定性差的問(wèn)題。

采用階段控制方法，可有效綜合二者的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)各自的不足。超壓控制系統(tǒng)基于閉環(huán)控制方法搭建，控制器能夠采集密閉艙室超壓，能夠調(diào)節(jié)泄放孔截面積，超壓控制策略表述如下。

1)每次開始建壓時(shí)，向控制器發(fā)出啟動(dòng)指令，控制器開始執(zhí)行第一階段程序，保持泄放孔關(guān)閉，使超壓快速上升。

2)當(dāng)超壓達(dá)到一定數(shù)值p1(根據(jù)試驗(yàn)效果確定)，控制器執(zhí)行第二階段程序，按照開環(huán)控制方法，使泄放孔截面積固定在某一數(shù)值(如在理論的開口面積附近)，直至超壓上升至p2(根據(jù)試驗(yàn)效果確定)。

3)當(dāng)超壓達(dá)到一定數(shù)據(jù)p2時(shí)，控制器重新轉(zhuǎn)變?yōu)殚]環(huán)控制，根據(jù)實(shí)時(shí)超壓數(shù)值，采用PID控制方法，調(diào)節(jié)泄放孔截面積，迅速穩(wěn)定超壓值，直至系統(tǒng)發(fā)出停止建壓指令。

4)系統(tǒng)發(fā)出停止建壓指令時(shí)，控制器程序跳出上述階段至初始狀態(tài)。

新的超壓控制方法的流程見圖5。

在整個(gè)超壓控制流程中，系統(tǒng)保持對(duì)超壓進(jìn)行采集，根據(jù)實(shí)時(shí)超壓反饋執(zhí)行相應(yīng)階段的策略。

3 超壓控制試驗(yàn)

按照第3節(jié)中介紹的超壓控制方法搭建超壓控制試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行超壓控制試驗(yàn)，記錄密閉艙室的超壓數(shù)據(jù)。

3.1 開環(huán)控制試驗(yàn)

采用開環(huán)控制方法，將泄放孔截面積固定在理論計(jì)算值，往密閉艙室鼓入新風(fēng)，將密閉艙室的超壓數(shù)據(jù)繪制成實(shí)時(shí)曲線圖，得到圖6。

注：圖中橫向一格為20 s

由圖6可見，采用開環(huán)控制方法，經(jīng)過(guò)橫向7格的時(shí)間后，超壓開始趨于穩(wěn)定，且超壓穩(wěn)定值與目標(biāo)值存在一定差距(約縱向1格)。主要是因?yàn)槊荛]艙室存在結(jié)構(gòu)泄露(這種泄露不可避免)，使理論計(jì)算的泄放開口截面偏大，實(shí)際工作的泄放開口截面需要根據(jù)試驗(yàn)情況修正，經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)才能逼近目標(biāo)值。這種試驗(yàn)需要耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，且當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)或環(huán)境條件有變化時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果將有差異。

3.2 閉環(huán)控制試驗(yàn)

采用全程閉環(huán)PID控制方法，系統(tǒng)開始工作時(shí)，即進(jìn)入艙室超壓PID控制模式，程序在每個(gè)計(jì)算周期根據(jù)當(dāng)前值與目標(biāo)值的差值，進(jìn)行比例、微分、積分計(jì)算，對(duì)泄放孔截面進(jìn)行調(diào)節(jié)，將艙室的超壓數(shù)據(jù)繪制成實(shí)時(shí)曲線圖，得到圖7。

由圖7可見，采用全程閉環(huán)PID控制方法，開始建壓后，超壓迅速上升達(dá)到波峰值(約30 s)，之后再經(jīng)歷波谷、波峰后，在橫向4格(約80 s)的時(shí)間后超壓趨于穩(wěn)定。超壓穩(wěn)定值接近于目標(biāo)值，在目標(biāo)值附近小幅度波動(dòng)。超壓波峰值與目標(biāo)值的偏差(超調(diào)量)約為10%，符合閉環(huán)系統(tǒng)的一般特性。

3.3 階段控制試驗(yàn)

采用2.3中介紹的超壓控制方法，系統(tǒng)開始后，依次經(jīng)過(guò)階段1、階段2、階段3，將艙室的超壓數(shù)據(jù)繪制成實(shí)時(shí)曲線圖，得到圖8。

由圖8可見，采用階段控制方法，結(jié)合了開環(huán)控制和閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)。開始建壓后，超壓迅速上升達(dá)到波峰值(約45 s)，之后再經(jīng)歷波谷、波峰后，在橫向3.5格(約70 s)的時(shí)間后超壓趨于穩(wěn)定。超壓穩(wěn)定值接近于目標(biāo)值，在目標(biāo)值附近小幅度波動(dòng)。超壓波峰值得到有效抑制，超調(diào)量約為6%的偏差，相對(duì)于圖7中的情況有所改善。

4 結(jié)論

基于超壓反饋進(jìn)行超壓調(diào)節(jié)是本系統(tǒng)工作的通用做法，合理的超壓控制策略能夠快速穩(wěn)定建壓，減少振蕩。所提出的階段控制方法能夠較好地綜合開環(huán)控制、閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速建壓，有效抑制超調(diào)。需要指明的是，由于要求泄放孔截面積可調(diào)節(jié)，所以其最大截面積應(yīng)大于理論計(jì)算值，另外控制器的PID參數(shù)需要根據(jù)試驗(yàn)確定最優(yōu)值。

[1] 喻俊峰，楊海燕.艙室超壓建立的物理模型分析[J].船海工程,2016,45(2):109-111.

[2] 楊叔子，楊克沖.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)[M].5版.武漢：華中科技大學(xué)出版社,2005.

[3] 林芃，王吉，包劍，等.水面艦艇集體防護(hù)系統(tǒng)PID控制分析[J].中國(guó)艦船研究，2015，10(4)：118-124.

[4] 方勇.艦船集體防護(hù)系統(tǒng)超壓及其波動(dòng)分析[J].艦船防化，2013(3)：48-51.

[5] 方勇.艦船集體防護(hù)系統(tǒng)增壓建立分析[J].船海工程,2013,42(4):112-113.

[6] 李光.艦船密閉區(qū)域氣密特性研究[J].中國(guó)艦船研究，2015，10(4)：125-131.

Research on Controlling Overpressure Methods in Enclosed Cabin

YANG Hai-yan, YU Jun-feng

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Optimal controlling method is the key factor in establishing and keeping the enclosed cabin's overpressure. The open-loop controlling method and closed-loop method were analyzed comparatively. The advantages and disadvantages of the two methods were summarized. A new periodical controlling method was proposed. The test results show that new periodical controlling method is effective.

enclosed cabin; overpressure; controlling method; open-loop; closed-loop

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.008

2017-03-07

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

楊海燕(1976—)，女，碩士，高工

研究方向：船舶總體設(shè)計(jì)

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0037-04

修回日期：2017-03-27