系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建模和設(shè)計(jì)

摘 要：為了設(shè)計(jì)一種更安全有效的系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)測(cè)控方法，首先分析系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行原理，并根據(jù)系留氣球系統(tǒng)的實(shí)際工程需求對(duì)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析；給出據(jù)此模型創(chuàng)建的一種具備可自由擴(kuò)充條件的壓力調(diào)節(jié)控制策略。該策略把工程設(shè)計(jì)中的輸入量和輸出量有效分類，并利用嚴(yán)格的傳遞函數(shù)表達(dá)式將兩者表述出來，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(diào)節(jié)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方法，并給出通過系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了該模型的正確性。
關(guān)鍵詞：系留氣球；壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)；建模；傳遞函數(shù)

0 引 言
系留氣球作為一種浮空平臺(tái)，其基本工作原理是利用氣球囊體內(nèi)的填充氣體在空氣中產(chǎn)生的浮力搭載有效載荷，并通過系留纜繩的拖曳實(shí)現(xiàn)在空中的長(zhǎng)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)合有著廣闊的應(yīng)用前景。系留氣球系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到氣動(dòng)、通訊、計(jì)算機(jī)、傳感器、材料和有效載荷等多個(gè)學(xué)科。
壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是系留氣球系統(tǒng)中一個(gè)重要的分系統(tǒng)，它的主要功能是根據(jù)氣球系統(tǒng)的不同工作模式和外部條件，通過控制各個(gè)囊室充氣的風(fēng)機(jī)和放氣的閥門來調(diào)節(jié)各部分的內(nèi)外壓力差，使氣球保持既定的氣動(dòng)外形，以期達(dá)到平穩(wěn)帶載浮空的目的。壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正常運(yùn)行是系留氣球平穩(wěn)浮空的前提和保障，執(zhí)行器(主要包括風(fēng)機(jī)、閥門、撕裂幅等)的錯(cuò)誤動(dòng)作有可能致使氣球因外形變化而導(dǎo)致姿態(tài)失衡，以及因內(nèi)外壓差過大而導(dǎo)致氣球囊體爆裂，甚至球皮被錯(cuò)誤撕裂等嚴(yán)重故障，這對(duì)于整個(gè)氣球任務(wù)系統(tǒng)而言都是致命的。因此在進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)時(shí)，既需要嚴(yán)格保證各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在既定模式下動(dòng)作的準(zhǔn)確性和有效性，又需要最大限度地提高自身運(yùn)行的可靠性。

壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在上述工作模式時(shí)，對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的控制輸入項(xiàng)和控制準(zhǔn)則不盡相同，而且還要考慮到針對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，氣動(dòng)總體設(shè)計(jì)師可能在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期無法給出完整而準(zhǔn)確的輸入條件，從而帶來調(diào)試過程中的種種改動(dòng)，所以必須對(duì)系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，以期找到一種安全、有效、可靠且可擴(kuò)充的控制策略，否則難以保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)能完全滿足要求。
建模時(shí)，首先要把壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中所有工作模式Mi下所有可能影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的輸入條件D歸類，并將輸入條件類之間的關(guān)系解耦合，把輸入條件類之間變得相互獨(dú)立。此時(shí)，對(duì)于任意的輸入條件類Di和Dj從概率學(xué)角度描述應(yīng)該滿足：

然后將同一類的輸入條件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)類的各種情況都?xì)w納到此條件中，此時(shí)從概率學(xué)角度描述應(yīng)該滿足：

至此把可能影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的所有輸入條件D全部分解為“類間獨(dú)立，類內(nèi)互斥”的子條件Dik，為控制傳遞函數(shù)的建立，創(chuàng)造了可使用的輸入變量。
針對(duì)任何一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)Q(k)，如果決定其動(dòng)作的輸入條件有D1，D2，…，Dm，則對(duì)于不同的工作模式Mi，其傳遞函數(shù)總可以表示為：

式中：Mi代表控制模式中的第i種，當(dāng)系統(tǒng)工作在第i種工作模式時(shí)，對(duì)應(yīng)的Mi為TRUE，否則為FALSE；代表對(duì)應(yīng)輸入條件的邏輯最小乘積項(xiàng)。