基于模糊控制的水下脫險快速加壓系統(tǒng)的研究及實現(xiàn)

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(華中科技大學 船舶與海洋工程學院， 湖北 武漢 430074)

引言

隨著深海作業(yè)的不斷發(fā)展，水下脫險的研究越來越受到人們的重視。國內(nèi)外對水下脫險已有許多研究，比較經(jīng)典的脫險方式如前蘇聯(lián)的應急上浮逃生艙，該逃生艙在水下作業(yè)體失事時與母體分離，自行漂浮至水面。此種脫險方法對水下作業(yè)人員的健康影響最小，由于該種脫險方式存在著逃生艙與母體不能成功脫離的問題，救生效果仍存在著質(zhì)疑[1]。快速上浮法則是目前實現(xiàn)大深度水下脫險的另一種主要方式，英國是應用此技術最為發(fā)達的國家之一，國內(nèi)也開始進行相關的研究工作[2]。快速上浮法的工作原理是：當水下作業(yè)人員需要出水上浮時，作業(yè)人員首先進入處于常壓狀態(tài)的逃生艙；之后關閉逃生艙艙門，打開進水閥門或者進氣閥門，使高壓海水或者高壓空氣注入逃生艙，對艙內(nèi)進行加壓；通過控制閥門的開度，使艙內(nèi)壓力按一定的變化規(guī)律快速上升，直到艙內(nèi)壓力與艙外海水壓力平衡；然后經(jīng)過短時間的穩(wěn)壓過程，打開逃生艙艙門， 作業(yè)人員出艙后自由上浮至水面。此種脫險方法的加壓過程很短，只有數(shù)十秒，因而作業(yè)人員暴露在高壓環(huán)境下的時間亦很短，且自由上浮又屬于快速減壓過程，在達到逃生目的的同時還可以避免減壓病的發(fā)生[3]。

從快速上浮法的工作原理可以看出，利用艙外高壓海水或者艙內(nèi)高壓氣源并通過控制閥門的開度，對艙內(nèi)進行準確、快速加壓是至關重要的，直接影響著脫險過程的成敗。本研究將依據(jù)快速上浮法對加壓過程的控制要求，在仿真研究的基礎上，探討構建合理的控制系統(tǒng)，同時針對具有大延時、大滯環(huán)特性的閥門提出合適的控制策略，并通過陸上調(diào)試平臺，驗證控制系統(tǒng)和控制策略的正確性。

1 加壓過程的控制特性要求

快速上浮脫險的關鍵問題是縮短人在高壓環(huán)境下的停留時間，以避免人體血液中出現(xiàn)氣泡以及發(fā)生各種潛水病。英國已成功完成了大深度的快速上浮實驗，其安全脫險的最大深度已達274 m[4]。英國學者由實驗得出的結論認為：整個加壓過程的時間應小于30 s，且加壓過程壓力按指數(shù)曲線上升(壓力3～7 s增加一倍)，加壓過程要求無振蕩，無超調(diào)，誤差率小于5%[5]。

根據(jù)上述實驗結論，預定本研究的容積為1.5 m3逃生實驗艙，要求額定逃生深度為300 m，加壓過程中壓力按指數(shù)曲線上升，最快增壓速度為每3 s增大一倍，誤差率小于5%。

2 控制系統(tǒng)及控制策略的研究

2.1 控制系統(tǒng)的研究

根據(jù)深海作業(yè)體(例如載人深潛器)的工作特性，實現(xiàn)快速加壓的壓力源可由兩個途徑獲得。一是來自深海的自然海水壓力，二是來自作業(yè)體上配備的高壓氣源，本研究將就注水加壓和注氣加壓兩種工作方式進行討論。閥門是快速加壓系統(tǒng)的核心控制元件，閥門的選型直接關系到系統(tǒng)的控制效果。查閱資料，由于氣動調(diào)節(jié)閥具有控制簡單，反應比較迅速，安全可靠的特點，初步選擇某氣動控制流量調(diào)節(jié)閥模擬未來的流量調(diào)節(jié)閥，水路調(diào)節(jié)閥型號為LD600P23063123X13203，通徑150 mm，開關頻率0.3 Hz，氣路調(diào)節(jié)閥通徑為50 mm，開關頻率0.3 Hz。

根據(jù)快速加壓的工作特性以及所選的氣動調(diào)節(jié)閥， 設計控制系統(tǒng)如圖1所示。本控制系統(tǒng)由計算機系統(tǒng)、檢測反饋系統(tǒng)、執(zhí)行機構組成。計算機系統(tǒng)主要包括主控計算機、信號采集卡和信號輸出卡，檢測反饋系統(tǒng)包括壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感、執(zhí)行機構由氣動先導式流量調(diào)節(jié)閥組成。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

2.2 控制策略的研究

基于以上系統(tǒng)硬件，模擬逃生環(huán)境為水下240 m，以最快的加壓情況(艙內(nèi)壓力每3 s增加一倍)為例，開展相關的研究工作。

由于氣動先導式流量調(diào)節(jié)閥具有大延時，大遲滯的特性，常規(guī)的PID控制算法不能滿足要求，故優(yōu)先選擇模糊控制法。模糊控制不需要控制對象的精確數(shù)學模型，它是一種基于規(guī)則的控制。通過將操作人員或專家經(jīng)驗編成模糊規(guī)則，然后對來自傳感器的實時信號進行模糊化，將模糊化后的信號作為模糊規(guī)則的輸入，完成模糊推理，最后將推理后得到的輸出量加到執(zhí)行器上。設計良好的模糊控制系統(tǒng)，具有很好的魯棒性[6]。

無論是注水加壓還是注氣加壓，在加壓過程中，逃生實驗艙內(nèi)的壓力均要求按指數(shù)曲線上升，且隨著壓力的增大，其閥門開度越大，故構造以誤差e和理論控制壓力p作為輸入，控制信號u作為輸出的二維模糊控制器，其工作原理如圖2所示，其中，Ke、Kp、Ku分別為誤差、壓力和輸出信號的比例因子。根據(jù)快速加壓的精度要求，可確定誤差e的實際論域為[-0.25,0.25],理論壓力p論域為[0,3]，輸出控制信號u論域為[0,5]。對論域進行模糊化，輸入及輸出均設計為11個模糊集，采用三角形函數(shù)實現(xiàn)其模糊化，隸屬函數(shù)如式(1)～(3)所示。

圖2 模糊控制原理圖

兩種工作方式均分為加壓段和保壓段。加壓段，逃生艙內(nèi)壓力按照指令曲線上升到目標壓力；保壓段，逃生艙內(nèi)壓力穩(wěn)定在目標壓力附近。根據(jù)本系統(tǒng)的工作特點，確定歸納注水加壓方式的系統(tǒng)的工作規(guī)則為：系統(tǒng)誤差e較大時，選用較大的輸出控制量u，使系統(tǒng)響應速度增快；當誤差e較小時，使用較小的輸出控制量u，防止系統(tǒng)出現(xiàn)大的超調(diào)；當壓力p較小時，選用較小的輸出控制量u；隨著壓力p的增大，輸出控制量也相應增大；整個控制過程中，盡量減小閥門控制次數(shù)，控制信號變化不宜變化過快；保壓段，為消除溫度下降對艙內(nèi)壓力的影響， 閥門應常開。 注氣加壓方式

(1)

(2)

(3)

和注水加壓方式略有不同，其氣源壓力一般要高于逃生艙內(nèi)的最終壓力。本系統(tǒng)選擇氣源壓力為4.5 MPa，由于閥門的滯后特性，當救生艙內(nèi)壓力到達目標壓力之前，閥門應提前關閉，以防止艙內(nèi)壓力超調(diào)；保壓段，為消除溫度變化對艙內(nèi)壓力的影響， 閥門要在較小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)控制。由此可建立系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則見表1、表2。

根據(jù)表1、表2的模糊規(guī)則進行運算，采用面積平分法解模糊，即可由輸入量p和e得出輸出控制量u。結合模糊控制表，運用AMESim進行仿真運算，仿真結果如圖3、圖4所示。

表1 注水加壓系統(tǒng)模糊控制規(guī)則表

表2 注氣加壓系統(tǒng)模糊控制規(guī)則表

圖3 注水加壓模糊控制仿真效果圖

圖4 注氣加壓模糊控制仿真效果圖

從圖3和圖4的對比可知，注水加壓的理論控制效果較好，注氣加壓曲線在壓力快速上升段，略有偏差，這是由閥門的提前關閉引起的。由于閥門的滯后作用，在目標壓力到達之前，要提前關閉閥門，以防止逃生艙內(nèi)壓力發(fā)生超調(diào)，而按照注氣加壓的特點，隨著艙內(nèi)壓力的上升，閥門開度應隨之變大，解決兩者矛盾的方法是選擇合適的模糊控制參數(shù)，以保證保壓段不出現(xiàn)超調(diào)，且加壓段精度在要求范圍以內(nèi)，本系統(tǒng)應用試湊法調(diào)整比例因子的值，以達到較好的控制效果。綜上所述，系統(tǒng)在模糊控制調(diào)節(jié)下,具有很強的自調(diào)節(jié)能力和魯棒性，對于控制大慣性，大遲滯系統(tǒng)有很好的借鑒意義。

3 陸上聯(lián)調(diào)實驗

由上述分析設計水下脫險實驗系統(tǒng)，主要由水下脫險逃生艙、加壓控制系統(tǒng)、深海環(huán)境模擬系統(tǒng)等組成，如圖5所示。

圖5 水下脫險實驗系統(tǒng)

圖5中1、3為氣動先導式流量調(diào)節(jié)閥，2為逃生艙，4為深海環(huán)境模擬系統(tǒng)，負責提供恒定的工作壓力?，F(xiàn)描述加壓過程如下：加壓開始時，逃生艙內(nèi)為常壓空氣，計算機控制閥門的開度，深海模擬系統(tǒng)內(nèi)的高壓水或者是氣源的高壓氣體進入到逃生艙內(nèi)，艙內(nèi)壓力按指數(shù)曲線上升，直到與深海壓力平衡，之后進入保壓段，保壓5～6 s后加壓過程結束。

運用模糊控制法，進行陸上聯(lián)調(diào)實驗，得到快速加壓試驗曲線如圖6、圖7所示。

由壓力曲線可知，實際曲線除在加壓開始段和加壓結束段偏離實際曲線較大以外， 其余跟隨良好。 加壓開始時，閥門由靜止到運動，由于靜摩擦力較大， 存在一段死區(qū)，故開始時段壓力略小于理論壓力，隨著閥門的調(diào)節(jié)作用增大，誤差逐漸減??；對于注水加壓方式，加壓結束段由于救生艙內(nèi)壓力不斷升高，且與深海模擬系統(tǒng)壓差不斷縮小，因而流量減小，故在轉折點附近會出現(xiàn)實際壓力略小于理論壓力的情況，而對于注氣加壓方式誤差則是由于閥門的提前關閉引起的，但兩者均在允許的誤差范圍內(nèi)，采樣點誤差如表3、表4所示。由此可以得出：本控制策略設計合理，滿足精度要求。

圖6 注水加壓實驗壓力曲線

圖7 注氣加壓實驗壓力曲線

圖8 注水加壓實驗溫度曲線

圖9 注氣加壓實驗溫度曲線

綜上研究，我們還可以進一步得出：對比注水加壓和注氣加壓兩種加壓方式，就逃生艙內(nèi)溫度的變化情況而言， 注水加壓方式會使艙內(nèi)氣體的最高溫度達到185 ℃，注氣加壓方式達到93 ℃，雖然氣加壓過程中氣體的最高溫度明顯低于水加壓過程，但在實際應用中，均應考慮采取必要的降溫措施，以使艙內(nèi)氣體的溫度處于人體可接受的范圍；就控制效果而言，注水加壓方式在保壓段不需對閥門進行調(diào)節(jié)，而對于注氣加壓方式，由于氣源壓力高于目標壓力，保壓段仍需對閥門進行調(diào)節(jié)，以消除溫度下降對艙內(nèi)壓力的影響，故水加壓方式控制過程較為簡單；就工作要求而言，注氣加壓方式對氣源有要求，在氣源得不到保證的情況下，建議優(yōu)先考慮注水加壓方式。

表3 注水加壓實驗采樣點誤差

表4 注氣加壓實驗采樣點誤差

4 結論

探討了一種基于模糊控制的快速加壓實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可分別進行注水加壓和注氣加壓實驗。針對該系統(tǒng)的核心控制元件先導式氣動流量調(diào)節(jié)閥具有大遲滯和非線性的特點，本研究基于AMESim仿真平臺，優(yōu)選了模糊控制策略。根據(jù)要求構建了陸上調(diào)試平臺，并采用模糊控制法，實現(xiàn)了快速加壓過程的精確控制，驗證了通過快速加壓實現(xiàn)深?？焖偕细∶撾U的可行性。

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