系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)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(diào)節(jié)系統(tǒng)測控方法，首先分析系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行原理，并根據(jù)系留氣球系統(tǒng)的實際工程需求對壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行建模和分析；給出據(jù)此模型創(chuàng)建的一種具備可自由擴充條件的壓力調(diào)節(jié)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，并利用嚴格的傳遞函數(shù)表達式將兩者表述出來，在氣球的安全控制和程序編制方面有很大的改進。最后簡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)的硬件設計和軟件設計方法，并給出通過系統(tǒng)實際運行的實驗結(jié)果，驗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，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現(xiàn)在空中的長時間駐留，其在通信、公共安全、地質(zhì)勘探、軍事用途和商業(yè)活動等多種場合有著廣闊的應用前景。系留氣球系統(tǒng)是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及到氣動、通訊、計算機、傳感器、材料和有效載荷等多個學科。
壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是系留氣球系統(tǒng)中一個重要的分系統(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，通過控制各個囊室充氣的風機和放氣的閥門來調(diào)節(jié)各部分的內(nèi)外壓力差，使氣球保持既定的氣動外形，以期達到平穩(wěn)帶載浮空的目的。壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正常運行是系留氣球平穩(wěn)浮空的前提和保障，執(zhí)行器(主要包括風機、閥門、撕裂幅等)的錯誤動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(nèi)外壓差過大而導致氣球囊體爆裂，甚至球皮被錯誤撕裂等嚴重故障，這對于整個氣球任務系統(tǒng)而言都是致命的。因此在進行壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的軟、硬件設計時，既需要嚴格保證各執(zhí)行機構(gòu)在既定模式下動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(diào)節(jié)系統(tǒng)在上述工作模式時，對各個執(zhí)行機構(gòu)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(zhí)行機構(gòu)的控制，氣動總體設計師可能在系統(tǒng)設計初期無法給出完整而準確的輸入條件，從而帶來調(diào)試過程中的種種改動，所以必須對系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行建模分析，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(tǒng)設計能完全滿足要求。
建模時，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)行機構(gòu)動作的輸入條件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立。此時，對于任意的輸入條件類Di和Dj從概率學角度描述應該滿足：

然后將同一類的輸入條件Di全部分解為若干個互斥的Di1，Di2，…，Dik，且為遍歷分解，即把每個類的各種情況都歸納到此條件中，此時從概率學角度描述應該滿足：

至此把可能影響執(zhí)行機構(gòu)動作的所有輸入條件D全部分解為“類間獨立，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。
針對任何一個執(zhí)行機構(gòu)Q(k)，如果決定其動作的輸入條件有D1，D2，…，Dm，則對于不同的工作模式Mi，其傳遞函數(shù)總可以表示為：

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