氧氣調(diào)節(jié)器供氧濃度模糊控制方法的仿真研究

孫昊王收軍孫青林

摘要：氧氣調(diào)節(jié)器為航空供氧系統(tǒng)的核心部件，它以飛機(jī)的飛行高度的變化速率為依據(jù)，并且根據(jù)航空供氧準(zhǔn)則的要求，為駕駛員動(dòng)態(tài)地提供相應(yīng)含氧濃度的混合氣體或純氧。本文首先通過(guò)分析航空供氧生理學(xué)理論以及氧氣調(diào)節(jié)器的工作原理，建立氧氣調(diào)節(jié)器的活門(mén)開(kāi)度與飛機(jī)飛行高度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并且設(shè)計(jì)一種應(yīng)對(duì)供氧調(diào)節(jié)器的活門(mén)開(kāi)度的模糊控制器。最后使用MATLAB軟件平臺(tái)的Simulink模塊對(duì)模糊控制方法的可行性和有效性進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文中所給出的模糊控制規(guī)則合理，能夠使得氧氣調(diào)節(jié)器為飛行員提供符合含氧濃度要求的混合氣體。

關(guān)鍵詞：氧氣調(diào)節(jié)器；氧氣濃度；模糊控制；仿真研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

當(dāng)飛機(jī)在高空飛行時(shí)，由于大氣壓強(qiáng)伴隨高度的升高而降低，外部空氣的含氧濃度并不能滿(mǎn)足駕駛員的需要。因此駕駛員需要通過(guò)氧氣調(diào)節(jié)器按照飛行高度供給不同含氧濃度的混合空氣或者純氧，而軍機(jī)在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，由于其飛行速度快，飛行高度變化劇烈，這就要求供氧設(shè)備為飛行員提供的氧氣的含氧濃度的提出了更高的要求。所以，供氧調(diào)節(jié)器如何對(duì)輸出的混合氣體中的氧氣濃度進(jìn)行控制，以符合飛行員的需要，一直是軍事航空研究人員所關(guān)注的重要問(wèn)題。近年來(lái)，法國(guó)的EROS公司對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，推出了軍用飛機(jī)電子式氧氣調(diào)節(jié)器產(chǎn)品。該產(chǎn)品居于國(guó)際領(lǐng)先水平，其性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于歐美原有的機(jī)械式氧氣調(diào)節(jié)器，美國(guó)的第四代戰(zhàn)機(jī)F-22上也開(kāi)始使用該產(chǎn)品[1]。其他國(guó)外在該問(wèn)題上的研究進(jìn)展，由于保密原因而很少見(jiàn)到有公開(kāi)的報(bào)道和介紹。在國(guó)內(nèi)，北京航空航天大學(xué)的趙競(jìng)?cè)淌谘芯吭O(shè)計(jì)了一種為飛行器座艙高度在12km時(shí)氧氣調(diào)節(jié)器的加壓供氧的控制方法，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行分析驗(yàn)證[2]。北京航空航天大學(xué)的林貴平教授則設(shè)計(jì)了一套基于A(yíng)Tmega128單片機(jī)的氧氣調(diào)節(jié)器的控制電路和軟件解決方案，其主要研究?jī)?nèi)容在于如何降低呼吸阻力[3]。據(jù)從用戶(hù)反饋回來(lái)的信息所知，國(guó)內(nèi)先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的供氧調(diào)節(jié)器的氧氣濃度控制問(wèn)題尚未得到徹底解決，還有一些問(wèn)題值得進(jìn)一步的探討[4]。因此，為先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)設(shè)計(jì)一種滿(mǎn)足飛行員需要的氧氣調(diào)節(jié)器的供氧濃度控制方法，是一項(xiàng)十分重要且有工程實(shí)用價(jià)值的工作[5]。下面，本文將介紹和總結(jié)飛行器氧氣調(diào)節(jié)器的主要結(jié)構(gòu)和工作原理，在對(duì)戰(zhàn)機(jī)飛行員處于不同飛行高度所需要的混合氣體中氧氣濃度的變化情況的深入分析基礎(chǔ)上，給出氧氣調(diào)節(jié)器的活門(mén)開(kāi)度與飛機(jī)飛行高度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)一種對(duì)供氧調(diào)節(jié)器的活門(mén)運(yùn)動(dòng)開(kāi)度的模糊控制方法，并應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2氧氣調(diào)節(jié)器的工作原理

由于高空之中大氣壓力降低，使得飛行員吸入氣體的含氧濃度不能滿(mǎn)足飛行員的需要，氧氣調(diào)節(jié)器的主要工作任務(wù)就是控制飛行員吸入器提的含氧濃度，預(yù)防缺氧所引起的反應(yīng)或者癥候。根據(jù)航空生理學(xué)要求，當(dāng)飛行高度高度1500m以下時(shí)：飛行員主要吸入外部環(huán)境的空氣，其主要目的是降低氧氣的消耗。當(dāng)飛行高度在1500-9000m的范圍內(nèi)時(shí)：伴隨飛行高度的升高，飛行員吸入氣體的氧分壓降低，為了保證飛行員吸入氣的氧分壓水平滿(mǎn)足其需要，氧氣調(diào)節(jié)器必須隨高度升高而提高吸入氣體的含氧濃度。當(dāng)飛機(jī)的飛行高度在9000m以上時(shí)，氧氣調(diào)節(jié)器一般供給純氧。并且當(dāng)飛機(jī)的飛行高度繼續(xù)升高，氧氣調(diào)節(jié)器采取加壓供氧的方式。本文主要討論飛機(jī)的飛行高度在0-9000m的范圍內(nèi)時(shí)氧氣調(diào)節(jié)器的控制策略[6-7]。

氧氣調(diào)節(jié)器的工作過(guò)程簡(jiǎn)介如下：當(dāng)飛行員吸氣時(shí)，氧氣面罩內(nèi)部壓力降低，面罩內(nèi)吸氣活門(mén)打開(kāi)，此時(shí)控制器通過(guò)控制電機(jī)打開(kāi)氧氣以及空氣活門(mén)，使氣體通過(guò)吸氣活門(mén)。當(dāng)飛行員呼氣時(shí)，面罩內(nèi)呼氣活門(mén)打開(kāi)、吸氣活門(mén)關(guān)閉，供給氣體不再流入面罩內(nèi)部，同時(shí)關(guān)閉氧氣以及空氣活門(mén)[8]。圖1為氧氣調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)化原理示意圖。

飛機(jī)在飛行過(guò)程中，氧氣調(diào)節(jié)器通過(guò)調(diào)整它的氧氣和空氣活門(mén)，來(lái)控制氧氣流量以及空氣流量，使得飛行員吸入氣體的濃度滿(mǎn)足飛行員在不同高度下對(duì)于吸入氣體的不同氧氣濃度的要求。一般來(lái)說(shuō)，氧氣調(diào)節(jié)器主要是將空氣活門(mén)的開(kāi)度固定不變，通過(guò)對(duì)氧氣活門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整，使得氧氣調(diào)節(jié)器供給飛行員的氣體的氧氣濃度符合飛行員的要求。由于平板活門(mén)的活門(mén)座和活門(mén)板之間的氣密性更好，所以一般飛行員佩戴的氧氣調(diào)節(jié)器的活門(mén)多采用平板活門(mén)，如圖所示。

活門(mén)主要設(shè)計(jì)參數(shù)：氧氣活門(mén)直徑4mm，活門(mén)最大開(kāi)度2mm；空氣活門(mén)直徑4mm，假設(shè)空氣活門(mén)開(kāi)度保持不變?yōu)?.2mm。氧氣活門(mén)入口壓力與出口壓力分別為80kPa和20KPa，由此得到活門(mén)進(jìn)出口壓力比為0.25，小于臨界壓力比，所以氣體的流動(dòng)處于超臨界狀態(tài)。根據(jù)工程流體力學(xué)中關(guān)于氣體在絕熱等熵條件下通過(guò)收斂噴嘴的流量公式，即可得出當(dāng)處于超臨界流動(dòng)時(shí)，通過(guò)活門(mén)的氣體的物質(zhì)流量為：

4模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制器的主要組成部分有：模糊化，知識(shí)庫(kù)，模糊推理以及解模糊，其主要結(jié)構(gòu)如圖3。

3數(shù)學(xué)模型

4.1輸入模糊化

在本文中，當(dāng)飛行員吸入氣氧氣濃度為21%時(shí)，如果由人來(lái)控制氧氣的濃度的話(huà)，則需要將吸入氣的氧氣濃度提高到25%。計(jì)算機(jī)仿照人的思維進(jìn)行模糊控制，將吸入氣氧氣濃度為21%這一信息轉(zhuǎn)化為“吸入氣氧氣濃度過(guò)低”，而“如果吸入氣氧氣濃度過(guò)低，那么增大氧氣活門(mén)開(kāi)度”這條語(yǔ)句就是模糊規(guī)則。在本文中，輸入量E為航空供氧理論要求的活門(mén)開(kāi)度與實(shí)際活門(mén)開(kāi)度之間的差值，模糊論域?yàn)閇-10，10]，模糊量化因子k取值0.08；。EC為理論要求的氧氣活門(mén)開(kāi)度變化率，模糊論域取[-10，10]，模糊量化因子kec取10/86，E與EC均采取三角形隸屬度函數(shù)。輸出量U為氧氣活門(mén)開(kāi)度變化，模糊論域?yàn)閇-1，1]，比例因子ku取值0.05，隸屬度函數(shù)為高斯函數(shù)，如下圖所示。

4.2模糊控制規(guī)則

本文根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況和控制精度要求，將E及EC的調(diào)整量在其論域上劃分連續(xù)的七個(gè)模糊集合，分別為：NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)小）、ZO（零）、PS（正?。?、PM（正中）、PB（正大）。并列出49條規(guī)則：

1）當(dāng)輸入量E為PB，并且EC為PB時(shí)，代表此時(shí)實(shí)際活門(mén)開(kāi)度與理論活門(mén)開(kāi)度存在較大的差距且理論要求的活門(mén)的開(kāi)度變化率仍在增大，因此輸出量U取PB即為極大地增大氧氣活門(mén)開(kāi)度。

2）當(dāng)輸入量E為PS，EC為ZO時(shí)，代表此時(shí)實(shí)際活門(mén)開(kāi)度與理論活門(mén)開(kāi)度存在較小的差距，并且理論要求的活門(mén)開(kāi)度的變化率為零，因此輸出量U取PS即為稍微增大氧氣活門(mén)的開(kāi)度。

3）當(dāng)輸入量E為NM，EC為NS時(shí)，代表此時(shí)實(shí)際活門(mén)開(kāi)度與理論活門(mén)開(kāi)度有一定的差距，并且理論要求的活門(mén)開(kāi)度的變化率也在降低，因此輸出量U取NM即為以一定速度降低活門(mén)的開(kāi)度。

4）當(dāng)輸入量E為NB，且EC也為NB時(shí)，代表此時(shí)實(shí)際活門(mén)開(kāi)度遠(yuǎn)大于理論活門(mén)開(kāi)度，且理論要求的活門(mén)開(kāi)度的變化率也在急速降低，因此輸出量U取NB，即為急速降低活門(mén)開(kāi)度。

4.3解模糊

由模糊規(guī)則推理出來(lái)的模糊控制量是模糊值，不能直接用于控制被控對(duì)象，需要先轉(zhuǎn)化成一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以執(zhí)行的精確量。此過(guò)程稱(chēng)為解模糊或模糊判據(jù)。解模糊的目的是根據(jù)模糊推理出的結(jié)果，求得最能反映控制量的真實(shí)分布。在本文中采用加權(quán)平均法，將模糊計(jì)算得到的控制量轉(zhuǎn)換到控制對(duì)象的實(shí)際論域中，即為乘上比例因子ku才能得到最終實(shí)際的控制量。

5系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析

為了驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性和模糊規(guī)則確立的合理性，我們需要對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)仿真。圖5為系統(tǒng)在MATLAB /Simulink下的仿真圖：

從仿真結(jié)果可以看出，在第一種飛行曲線(xiàn)的情況下的理論吸入氣體含氧濃度與實(shí)際吸入氣體含氧濃度的偏差在[-1.5%，1.5%]之間，第二種情況的理論值與實(shí)際值的偏差則在[-1%，1%]之間。系統(tǒng)輸出的供氧濃度曲線(xiàn)與理論的濃度曲線(xiàn)基本吻合，證明了將模糊控制運(yùn)用在調(diào)氧器控制系統(tǒng)上是可行的，在該模糊控制器作用下供氧控制系統(tǒng)具有良好的調(diào)節(jié)效果，能夠持續(xù)穩(wěn)定地為飛行員提供具有合適的氧濃度的混合氧氣。

6結(jié)論

本文簡(jiǎn)要介紹了飛行器氧氣調(diào)節(jié)器的主要結(jié)構(gòu)和工作原理，在對(duì)戰(zhàn)機(jī)處于不同飛行高度時(shí)飛行員所需要的混合氣體中氧氣濃度要求的必要分析的基礎(chǔ)上，給出氧氣調(diào)節(jié)器在輸出合適氧濃度的混合氧氣的條件下活門(mén)開(kāi)度與飛機(jī)飛行高度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了一種對(duì)供氧調(diào)節(jié)器的活門(mén)運(yùn)動(dòng)開(kāi)度的模糊控制方法，并應(yīng)用MATLAB軟件的Simulink仿真模塊對(duì)控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，將模糊控制運(yùn)用在氧氣調(diào)節(jié)器系統(tǒng)上是可行的，本文提出的模糊控制方法能夠使得氧氣調(diào)節(jié)器為飛行員提供的混合氧氣的氧濃度與理論值之間的誤差很小，符合飛行員的飛行需要。

參考文獻(xiàn)

[1] BEAUSSANT R.Modern oxygen and antiG protection for the pilot of advanced fighter aircraft SAAB JAS 39[J].ICAS proceeding，1990.

[2]余中軍，趙競(jìng)?cè)?基于Simulink的航空供氧系統(tǒng)加壓供氧性能仿真[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，（2）：1-6.

[3]俞笑，孫兵，林貴平，等.ATmega128單片機(jī)在電子式氧氣調(diào)節(jié)器上的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，（12）：50-56.

[4]孫燦飛，蔡元友，龍海軍.電子式氧氣調(diào)節(jié)器中步進(jìn)電機(jī)模糊控制技術(shù)研究[J].測(cè)控技術(shù)，2013，（04）：78-81.

[5]肖華軍編著.航空供氧防護(hù)裝備生理學(xué)[M]. 北京：軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)出版社， 2005.

[6]梅永輝，盧齊英.飛機(jī)供氧原理與結(jié)構(gòu)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào).2013，（02）：108.

[7]封文春，朱永峰，周慧紅.F-22缺氧問(wèn)題的分析與思考[J].航空科學(xué)技術(shù).2013，（01）：23-26.

[8]葉方博.電子式氧氣調(diào)節(jié)器技術(shù)研究[J].江蘇航空.2012，（S1）：127-129.