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《計測技術雜志》2015年第二期

1系統整體結構

氣體需要保持一定流量的流動，從而提高實驗艙內氣體溫度、壓力和濕度的均勻性。氣體的這種流動性給艙內壓力控制帶來了困難，本系統使用比例調節閥作為控制執行機構，通過調節閥門開度改變氣路的有效導通面積，從而改變輸入與輸出氣體的流量，實現飽和器和實驗艙壓力精密控制的目的。為了解決調節速度和分辨力這一矛盾，設計了粗調閥和精調閥并聯結構。暫態過程使用粗調閥，減小調節時間;穩態過程使用精調閥，提高控制精度。如圖1所示，上游飽和器C1以S1作正壓源，以C2作負壓源，通過V1，V2控制飽和器壓力;下游實驗艙C2以C1作正壓源，以S2作負壓源，通過V3，V4，V5，V6，V7控制實驗艙壓力。可以看出，飽和器壓力與實驗艙壓力在控制過程中是相互影響的，彼此不是獨立的，具有很強的耦合關系。飽和器與實驗艙壓力控制框圖如圖2所示。假定飽和器和實驗艙壓力控制對象的傳遞函數分別為GU(s)，GD(s);對應的控制器傳遞函數分別為LU(s)，LD(s);RU(s)，RD(s)分別表示飽和器和實驗艙的壓力階躍輸入;ULU(s)，ULD(s)分別表示控制器輸出;YU(s)，YD(s)分別表示實際輸出;PU(s)表示飽和器壓力對實驗艙壓力的擾動，PD(s)表示實驗艙壓力對飽和器壓力的擾動［2］。

2系統建模

壓力控制的執行機構是比例調節閥，調節閥通過調節閥門開度大小改變通過的氣體流量，容器的壓力變化與流入和流出的氣體流量差成正相關。因此，分析調節閥的流量與開度關系，就可以建立調節閥與壓力的模型。本文以理想氣體為研究對象，由理想氣體狀態方程。設飽和器輸入流量為QUi，飽和器輸出流量為QUo;實驗艙輸入流量為QDi，實驗艙輸出流量為QDo，則飽和器壓力pU與實驗艙壓力pD的動態方程可以表示。

3解耦控制

針對圖2中飽和器和實驗艙壓力控制中的耦合問題，本文設計了對角矩陣法來進行解耦控制，對角陣解耦的實質是讓被控對象的傳遞函數矩陣與解耦矩陣的乘積等于對角陣。

4實驗結果

課題要求實驗艙壓力檢定范圍:45～130kPa，穩態精度:10Pa。定義穩態精度為控制進入穩態后氣壓不超出目標值的最大幅度。在氣體溫度為25℃下，設定實驗艙控制目標為90kPa，飽和器控制目標為180kPa，在其他條件不變的情況下，分別進行無解耦壓力控制與有解耦壓力控制實驗。本文主要關注壓力控制的穩態特性，因此對于控制過程的暫態特性不進行分析。實驗結果如圖4和圖5所示，采樣周期為100ms。圖4為解耦前后飽和器的穩態壓力對比圖，可見，解耦后穩態精度提高了3倍。圖5為解耦前后實驗艙穩態壓力對比圖，可以發現，解耦后實驗艙壓力穩態精度提高了一個數量級，穩態精度在6Pa，達到了課題要求。

5結論

針對氣候觀測綜合計量檢定系統的飽和器與實驗艙壓力控制具有極強的耦合關系，應用對角矩陣法對雙極氣流場進行解耦，克服上游飽和器壓力與下游實驗艙壓力的相互影響，并進行了實驗驗證，取得了很好的效果，提高了壓力控制的穩態精度。

作者：何畔孟曉風單位：北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院