系留氣球壓力調節系統的建模和設計

摘 要：為了設計一種更安全有效的系留氣球壓力調節系統測控方法，首先分析系留氣球壓力調節系統的運行原理，并根據系留氣球系統的實(shí)際工程需求對壓力調節系統進(jìn)行建模和分析；給出據此模型創(chuàng )建的一種具備可自由擴充條件的壓力調節控制策略。該策略把工程設計中的輸入量和輸出量有效分類(lèi)，并利用嚴格的傳遞函數表達式將兩者表述出來(lái)，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(jiǎn)要描述了已研制成功的某型系留氣球壓力調節系統的硬件設計和軟件設計方法，并給出通過(guò)系統實(shí)際運行的實(shí)驗結果，驗證了該模型的正確性。
關(guān)鍵詞：系留氣球；壓力調節系統；建模；傳遞函數

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的填充氣體在空氣中產(chǎn)生的浮力搭載有效載荷，并通過(guò)系留纜繩的拖曳實(shí)現在空中的長(cháng)時(shí)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(dòng)等多種場(chǎng)合有著(zhù)廣闊的應用前景。系留氣球系統是一項復雜的系統工程，涉及到氣動(dòng)、通訊、計算機、傳感器、材料和有效載荷等多個(gè)學(xué)科。
壓力調節系統是系留氣球系統中一個(gè)重要的分系統，它的主要功能是根據氣球系統的不同工作模式和外部條件，通過(guò)控制各個(gè)囊室充氣的風(fēng)機和放氣的閥門(mén)來(lái)調節各部分的內外壓力差，使氣球保持既定的氣動(dòng)外形，以期達到平穩帶載浮空的目的。壓力調節系統的正常運行是系留氣球平穩浮空的前提和保障，執行器(主要包括風(fēng)機、閥門(mén)、撕裂幅等)的錯誤動(dòng)作有可能致使氣球因外形變化而導致姿態(tài)失衡，以及因內外壓差過(guò)大而導致氣球囊體爆裂，甚至球皮被錯誤撕裂等嚴重故障，這對于整個(gè)氣球任務(wù)系統而言都是致命的。因此在進(jìn)行壓力調節系統的軟、硬件設計時(shí)，既需要嚴格保證各執行機構在既定模式下動(dòng)作的準確性和有效性，又需要最大限度地提高自身運行的可靠性。

壓力調節系統在上述工作模式時(shí)，對各個(gè)執行機構所需的控制輸入項和控制準則不盡相同，而且還要考慮到針對各執行機構的控制，氣動(dòng)總體設計師可能在系統設計初期無(wú)法給出完整而準確的輸入條件，從而帶來(lái)調試過(guò)程中的種種改動(dòng)，所以必須對系留氣球壓力調節系統進(jìn)行建模分析，以期找到一種安全、有效、可靠且可擴充的控制策略，否則難以保證系統設計能完全滿(mǎn)足要求。
建模時(shí)，首先要把壓力調節系統中所有工作模式Mi下所有可能影響執行機構動(dòng)作的輸入條件D歸類(lèi)，并將輸入條件類(lèi)之間的關(guān)系解耦合，把輸入條件類(lèi)之間變得相互獨立。此時(shí)，對于任意的輸入條件類(lèi)Di和Dj從概率學(xué)角度描述應該滿(mǎn)足：

然后將同一類(lèi)的輸入條件Di全部分解為若干個(gè)互斥的Di1，Di2，…，Dik，且為遍歷分解，即把每個(gè)類(lèi)的各種情況都歸納到此條件中，此時(shí)從概率學(xué)角度描述應該滿(mǎn)足：

至此把可能影響執行機構動(dòng)作的所有輸入條件D全部分解為“類(lèi)間獨立，類(lèi)內互斥”的子條件Dik，為控制傳遞函數的建立，創(chuàng )造了可使用的輸入變量。
針對任何一個(gè)執行機構Q(k)，如果決定其動(dòng)作的輸入條件有D1，D2，…，Dm，則對于不同的工作模式Mi，其傳遞函數總可以表示為：

式中：Mi代表控制模式中的第i種，當系統工作在第i種工作模式時(shí)，對應的Mi為T(mén)RUE，否則為FALSE；代表對應輸入條件的邏輯最小乘積項。