鄒 軍, 霍文軍, 阮 煒, 劉慶同, 尹方龍

(1.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205; 2.海軍研究院，北京 100073;3.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

引言

潛水器自問世以來就被世界各國重視而得到快速發(fā)展。每年都有水手搭乘軍用潛艇在海面下穿行；商業(yè)潛水員在建設(shè)或維修海底輸油管道、通信電纜和石油鉆塔；潛水愛好者以探尋海底奧秘為樂；科研人員潛入深海進(jìn)行科學(xué)研究[1-2]。然而，由于潛水器自身技術(shù)復(fù)雜性和運行環(huán)境的惡劣性，世界各國于非戰(zhàn)斗海損造成失事沉沒的潛水器數(shù)量達(dá)到170艘以上[3-5]，甚至有資料表明高達(dá)287艘[6]。因此，加強(qiáng)援潛救生手段與技術(shù)的研究是絕對必要的[7]。失事潛水器一般在自救方式失敗或不具備自救條件的情況下采取外部援救方式挽救艇員生命。失事潛水器供排氣系統(tǒng)作為一種重要的外部援救方式，主要有三種功能：一是可對失事潛水器救生艙室提供通風(fēng)換氣功能，改善艇內(nèi)生存條件，延長待救艇員生命自持時間；二是在帶壓救援時對失事潛水器救生艙室進(jìn)行可控的減壓，降低高壓暴露對幸存者的生理影響，為后續(xù)自救行動或外救行動的開展提供條件；三是通過功能擴(kuò)展可對失事潛水器提供應(yīng)急供電、應(yīng)急吹除高壓氣供氣、應(yīng)急視頻通訊等技術(shù)手段，為失事潛水器自起浮提供外部支持。由于具有上述眾多應(yīng)急支持功能，失事潛水器供排氣系統(tǒng)成為國內(nèi)外大力研究和發(fā)展的重要援潛救生裝備。

本研究開發(fā)了一種失事潛水器救生艙室供排氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)有常壓通風(fēng)和減壓脫飽和兩種工作方式：常壓通風(fēng)工作條件是當(dāng)救生艙室內(nèi)壓力為正常壓力時，救生艙內(nèi)處于通風(fēng)換氣狀態(tài)，使艙內(nèi)氧含量滿足人體需求；減壓脫飽和是當(dāng)救生艙內(nèi)壓力超過正常水平時，調(diào)節(jié)救生艙供排氣系統(tǒng)，使艙室內(nèi)部壓力可控降至常壓。

一些學(xué)者針對氣動系統(tǒng)壓力控制進(jìn)行了研究，巴少男等[8]基于AMESim和MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真，對氣動伺服系統(tǒng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明模糊PID控制改善了氣動伺服系統(tǒng)的響應(yīng)性能。張遠(yuǎn)深等[9]通過AMESim仿真軟件對氫能源汽車中高壓氣動減壓閥的穩(wěn)定特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明帶有先導(dǎo)穩(wěn)定流量器的高壓氣動減壓閥在高壓化減壓時，其出口壓力穩(wěn)定，壓力振蕩小，動態(tài)響應(yīng)快。然而，目前國內(nèi)外關(guān)于救生艙室供排氣系統(tǒng)動態(tài)特性的仿真研究較少，尤其是針對不同控制算法對系統(tǒng)工作性能影響規(guī)律的研究鮮有涉及。

1 救生艙室供排氣系統(tǒng)工作原理及物理模型

供排氣系統(tǒng)由救生艙室、應(yīng)急供氣中壓氣站、供氣管路、電動調(diào)節(jié)閥、排氣管路、真空緩存罐、真空機(jī)組及其他輔助單元組成，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。救生艙室供排氣系統(tǒng)供氣端，供氣端以壓力為20 MPa中壓氣站壓力為供氣系統(tǒng)的壓力源部件；高壓氣體由中壓氣站經(jīng)管路至氣動穩(wěn)壓閥壓力降至4.5 MPa，后端經(jīng)過電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓力，使救生艙室內(nèi)壓力保持恒定，調(diào)節(jié)閥與救生艙室之間由400 m或800 m的臍帶連接，臍帶直徑為20 mm。救生艙室供排氣系統(tǒng)排氣端: 救生艙室后端接長度為400 m或800 m、直徑為40 mm的臍帶，并與排量為2200 m3/h的真空機(jī)組相連，其前接體積為1 m3的真空緩存罐；真空緩存罐前端連接電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥口開度，使救生艙室內(nèi)壓力的變化率滿足要求。

常壓通風(fēng)工況下，排氣調(diào)節(jié)閥全開，通過調(diào)節(jié)供氣調(diào)節(jié)閥開度控制救生艙室內(nèi)壓力，使其滿足要求；減壓脫飽和工況下，供氣調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，通過調(diào)節(jié)排氣調(diào)節(jié)閥開度控制排氣速率，使其滿足要求。救生艙室應(yīng)急供氣中壓氣站視為理想壓力源，氣源到救生艙室的整個管系用1根等效長度為LD，等效直徑為D的管路代替，忽略救生艙室對氣體的阻礙作用，將其視為一個大氣室，建立救生艙室供排氣系統(tǒng)簡化物理模型，如圖2所示。

2 基于AMESim救生艙室供排氣系統(tǒng)建模分析

建模過程中，為了簡化系統(tǒng)模型，省略了一些對系統(tǒng)運行沒有影響的壓力表、開關(guān)閥及過濾器等，并將中壓氣站簡化為理想壓力源。救生艙室供排氣系統(tǒng)的AMESim模型如圖3所示。系統(tǒng)能較好的反應(yīng)救生艙室供排氣系統(tǒng)的工作原理和運行中需要考慮的問題，從而可以利用這一模型對救生艙室供排氣系統(tǒng)進(jìn)行仿真和動態(tài)特性分析。圖中的實線表示連接的管路，粗實線表示考慮了管路的長度、管徑、粗糙度和管路復(fù)雜流態(tài)等特性，虛線表示只起形式上的連接作用。

圖1 潛水器艙室供排氣系統(tǒng)原理圖

圖2 潛水器救生艙室供排氣系統(tǒng)物理模型

圖3 救生艙室供排氣系統(tǒng)的AMESim模型

3 救生艙室供排氣系統(tǒng)控制算法

3.1 普通PID控制器

PID控制器是最早發(fā)展應(yīng)用的經(jīng)典算法之一，PID控制算法結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、精度較高，在各個行業(yè)的控制中得到廣泛應(yīng)用。PID控制的原理是將輸入與輸出的偏差進(jìn)行比例(P)、積分(I)和微分(D)，然后將它們線性組合成控制量，對被控對象進(jìn)行控制[10-13]。根據(jù)救生艙室的控制特性，調(diào)整PID控制器的3個參數(shù)就可以滿足控制要求，從而起到對救生艙室內(nèi)壓力控制的目的。在Simulink中建立PID控制器模型，將救生艙供排氣系統(tǒng)的AMESim模型嵌入Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真[14]，仿真模型如圖4所示。

圖4 PID控制器的Simulink模型

3.2 基于模糊整定的PID控制器

模糊控制的基本原理是將誤差E和誤差變化量EC作為輸入，經(jīng)過模糊化、模糊推理、清晰化后，得出控制參數(shù)的變化量ΔKp，ΔKi，ΔKd[11]，PID控制器根據(jù)變化量按照式(1)計算Kp，Ki，Kd，輸出給控制系統(tǒng)[15-17]。建立模糊控制的AMESim和Simulink聯(lián)合仿真模型，仿真模型如圖5所示。模糊控制模糊規(guī)則表如表1～表3所示。

圖5 模糊PID控制器模型

Ki=Ki0+ΔKi

Kd=Kd0+ΔKd

(1)

式中，Kp為經(jīng)過模糊化處理的比例系數(shù)；Ki為經(jīng)過模糊化處理的積分系數(shù)；Kd為經(jīng)過模糊化處理的微分系數(shù)；Kp0為比例初始值；Ki0為積分初始值；Kd0為微分初始值； ΔKp為比例參數(shù)調(diào)整值； ΔKi為積分參數(shù)調(diào)整值； ΔKd為微分參數(shù)調(diào)整值。

為克服益智游戲教學(xué)大班額的瓶頸限制，除了校領(lǐng)導(dǎo)與教師外，廣大家長朋友也積極參與其中。在校本課程的開發(fā)過程中，家長與孩子共同參與數(shù)學(xué)益智游戲，讓孩子將游戲“帶回家”?。ㄈ鐖D5）根據(jù)學(xué)生在游戲中的表現(xiàn)，家長可以了解孩子對知識的掌握情況?？吹胶⒆釉谶@份有趣的“數(shù)學(xué)益智游戲”菜單中玩得盡興，家長也露出了會心的微笑，樂此不疲。在家長不斷的評價反饋中，學(xué)校也改進(jìn)和提升了“小學(xué)數(shù)學(xué)益智游戲”課程品質(zhì)。

表1 Kp模糊控制表

表2 Ki模糊控制表

表3 Kd模糊控制表

4 仿真結(jié)果分析

4.1 通風(fēng)置換

對救生艙室通風(fēng)置換條件進(jìn)行仿真分析，艙室內(nèi)壓力為0.1 MPa，救生艙室容積取800 m3，艙室排氣流量為50～300 m3/h。此時，排氣調(diào)節(jié)閥全開，供氣調(diào)節(jié)閥根據(jù)壓力檢測值及壓力控制目標(biāo)實時調(diào)節(jié)開度，供氣調(diào)節(jié)閥芯運動速度為0.9 mm/s，閥座尺寸為20 mm，對臍帶長度分別為400 m和800 m兩種工況進(jìn)行分析，工況1臍帶長度為400 m，工況2臍帶長度為800 m，仿真時長1000 s，仿真精度0.01 s。

圖6為工況1、工況2中救生艙室內(nèi)壓力動態(tài)變化曲線，由圖中可以看出：對于工況1，2，相同的PID參數(shù)均可以使救生艙室內(nèi)的壓力p穩(wěn)定在0.1 MPa左右。工況1中，模糊PID調(diào)整相比較普通PID而言，可以更早的趨于穩(wěn)定，響應(yīng)速度更快，控制精度更高。適用于工況1的PID參數(shù)同樣也適用于工況2，但是模糊PID的響應(yīng)速度并沒有比常規(guī)PID的效果好，但是其控制精度要高。臍帶長度對救生艙室壓力穩(wěn)定有一定的延時作用，臍帶越長，救生艙室壓力穩(wěn)定時間越靠后。

圖6 救生艙室內(nèi)壓力變化曲線

圖7、圖8分別為工況1及工況2中救生艙室供排氣氣體質(zhì)量流量動態(tài)變化曲線，由圖中可以看出：對于工況1，救生艙室供氣氣體質(zhì)量流量Q最終穩(wěn)定在47.18 g/s，救生艙室排氣氣體質(zhì)量流量最終穩(wěn)定在45.4 g/s。對于工況2，救生艙室供氣氣體質(zhì)量流量最終穩(wěn)定在33.92 g/s，救生艙室排氣氣體質(zhì)量流量最終穩(wěn)定在32.63 g/s。

圖7 工況1供排氣氣體質(zhì)量流量動態(tài)變化曲線

圖8 工況2供排氣氣體質(zhì)量流量動態(tài)變化曲線

圖9、圖10分別為工況1及工況2中電動調(diào)節(jié)閥閥芯位移x及速度v動態(tài)變化曲線。圖9中可以看出，工況1中，閥芯位移穩(wěn)定在0.9 mm處；工況2中，閥芯位移穩(wěn)定在0.66 mm處。圖10中可以看出，閥芯以正負(fù)0.9 mm/s來回運動，最終停止。由于PID控制是差值控制，仿真并未設(shè)置目標(biāo)閾值，且仿真條件較為理想，所以電動調(diào)節(jié)閥閥芯即使在艙室壓力穩(wěn)定的情況下仍然出現(xiàn)微動，此時可視為閥芯已停止運動。工況1，2中，模糊PID控制的閥芯速度均比常規(guī)PID控制的閥芯速度要晚停下來，但是從救生艙室壓力曲線可以看出，模糊PID對比常規(guī)PID而言，響應(yīng)速度及控制精度要好。

圖9 電動調(diào)節(jié)閥閥芯位移動態(tài)變化曲線

圖10 電動調(diào)節(jié)閥閥芯速度動態(tài)變化曲線

4.2 減壓脫飽和

減壓脫飽和，救生艙室內(nèi)初始壓力0.5 MPa，其減至0.3 MPa并穩(wěn)定一段時間，再減到0.1 MPa并繼續(xù)穩(wěn)定一段時間。救生艙室排氣流量：50～300 m3/h。此時，排氣調(diào)節(jié)閥全開，供氣調(diào)節(jié)閥根據(jù)壓力檢測值及壓力控制目標(biāo)實時調(diào)節(jié)開度，供氣調(diào)節(jié)閥芯運動速度為0.9 mm/s，閥座尺寸為20 mm。艙室容積796 m3，對臍帶長度分別為400 m和800 m兩種工況進(jìn)行仿真分析，工況3臍帶長度為400 m，工況4臍帶長度為800 m。

圖11為工況3、工況4在減壓通風(fēng)時救生艙室內(nèi)壓力動態(tài)變化曲線及其保壓階段局部放大圖，從圖中可以看出救生艙室體積為800 m3、臍帶長度為400 m時，救生艙室壓力由0.5 MPa減至0.3 MPa經(jīng)過約12783.6 s，再由0.3 MPa減至0.1 MPa經(jīng)過約23457.6 s。由于壓差逐漸變小，減壓過程并不是線性的。臍帶長度為800 m時，救生艙室壓力由0.5 MPa減至0.3 MPa經(jīng)過約18097.1 s，再由0.3 MPa減至0.1 MPa經(jīng)過約34012 s，減壓過程也不是線性過程，而是一個越來越慢的過程。從圖中也可以看出模糊PID在系統(tǒng)壓力調(diào)控過程中，相比常規(guī)PID而言均有較快的響應(yīng)速度及較高的控制精度。

圖12分別為工況3、工況4救生艙室供排氣氣體質(zhì)量流量動態(tài)變化曲線及其放大圖，由圖中可以看出：對于工況3，救生艙室壓力在0.5 MPa時，供氣氣體質(zhì)量流量最終穩(wěn)定在138.8 g/s，排氣氣體質(zhì)量流量最終穩(wěn)定在133.97 g/s；救生艙室壓力在0.3 MPa時，供氣氣體質(zhì)量流量最終穩(wěn)定在87.2 g/s，排氣氣體質(zhì)量流量最終穩(wěn)定在94.4 g/s；救生艙室壓力在0.1 MPa時，供氣氣體質(zhì)量流量最終穩(wěn)定在39.83 g/s，排氣氣體質(zhì)量流量最終穩(wěn)定在52.25 g/s。對于工況4，救生艙室壓力在0.5 MPa時，供氣氣體質(zhì)量流量最終穩(wěn)定在97.72 g/s，排氣氣體質(zhì)量流量最終穩(wěn)定在94.4 g/s；救生艙室壓力在0.3 MPa時，供氣氣體質(zhì)量流量最終穩(wěn)定在61.6 g/s，排氣氣體質(zhì)量流量最終穩(wěn)定在66.59 g/s；救生艙室壓力在0.1 MPa時，供氣氣體質(zhì)量流量最終穩(wěn)定在28.61 g/s，排氣氣體質(zhì)量流量最終穩(wěn)定在37.66 g/s。

圖11 工況3，4在減壓通風(fēng)時艙室內(nèi)壓力動態(tài)變化曲線及其保壓階段局部放大圖

圖13為工況3、工況4中電動調(diào)節(jié)閥閥芯位移動態(tài)變化曲線及其放大圖，從圖中可以看出，工況3中，0.5 MPa 保壓點處閥芯位移穩(wěn)定在3.14 mm處；0.3 MPa 保壓點處閥芯位移穩(wěn)定在1.67 mm處；0.1 MPa保壓點處閥芯位移穩(wěn)定在0.77 mm處。工況4中，0.5 MPa 保壓點處閥芯位移穩(wěn)定在2.19 mm處；0.3 MPa保壓點處閥芯位移穩(wěn)定在1.19 mm處；0.1 MPa保壓點處閥芯位移穩(wěn)定在0.55 mm處。對比穩(wěn)態(tài)仿真可以看出，系統(tǒng)穩(wěn)定在0.3 MPa及0.1 MPa處時的閥芯位移均比動態(tài)仿真相同保壓點處的閥芯位移要大。

圖12 工況3及工況4中艙室供排氣氣體質(zhì)量流量動態(tài)變化曲線及其放大圖

圖13 工況3及工況4中電動調(diào)節(jié)閥閥芯位移動態(tài)變化曲線及其放大圖

5 結(jié)論

開發(fā)了一種遠(yuǎn)距離救生艙室供排氣控制系統(tǒng)，建立了AMESim和Simulink對該系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型。采用PID和模糊PID 2種控制方式對系統(tǒng)常壓通風(fēng)和減壓脫飽和2種工況進(jìn)行了分析，仿真結(jié)果表明，相比較PID控制，模糊PID控制的響應(yīng)速度更快，系統(tǒng)控制精度更高。