富氮?dú)怏w模擬系統(tǒng)設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

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(上海飛機(jī)設(shè)計研究院 民用飛機(jī)模擬飛行國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201210)

引言

某型飛機(jī)的燃油箱惰化系統(tǒng)由機(jī)載制氮系統(tǒng)和富氮?dú)怏w分配系統(tǒng)組成。機(jī)載制氮系統(tǒng)把飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)引入的氣體，調(diào)溫調(diào)壓后通過中空纖維膜分離器[1]分離成不同濃度和流量的富氮?dú)怏w，再經(jīng)富氮?dú)怏w分配系統(tǒng)把富氮?dú)怏w分配到燃油箱隔艙內(nèi)，使飛機(jī)燃油箱內(nèi)的平均氧氣濃度降低到12%以下[2]，從而提高燃油箱的安全性，稱為機(jī)載燃油箱防爆技術(shù)[3]。

飛機(jī)燃油箱惰化系統(tǒng)在地面集成后，需進(jìn)行性能研發(fā)試驗(yàn)。在地面性能研發(fā)試驗(yàn)中，專門研究富氮?dú)怏w分配系統(tǒng)的性能，為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這需要制備大量的富氮?dú)怏w，并通過富氮分配系統(tǒng)充入油箱?？紤]到機(jī)載制氮系統(tǒng)中空纖維膜分離器的壽命及貴重價值，提出不采用機(jī)載制氮系統(tǒng)產(chǎn)生富氮?dú)怏w，另外設(shè)計一套能夠產(chǎn)生富氮?dú)怏w系統(tǒng)的思路，要求該系統(tǒng)產(chǎn)生的富氮?dú)怏w流量和氧濃度范圍能夠完全模擬機(jī)載制氮系統(tǒng)分離出的富氮?dú)怏w氧含量和流量。研制富氮?dú)怏w模擬系統(tǒng)，不僅有助于提高該型號試驗(yàn)裝備的研制能力，也能為后續(xù)型號的設(shè)計研發(fā)試驗(yàn)提供通用的技術(shù)支持。

關(guān)于富氮?dú)怏w模擬系統(tǒng)的設(shè)計，目前通常是通過分別控制兩相氣體出口壓力，輸出后混合，以配比不同流量和濃度的惰性氣體[4-5]。即通過分別控制壓力、監(jiān)控流量的方式實(shí)現(xiàn)，對富氮?dú)怏w濃度，都是采取開環(huán)控制的方式，要實(shí)現(xiàn)氧濃度連續(xù)可調(diào)比較困難。本研究提出了利用空壓機(jī)組提供空氣氣源，工業(yè)氮?dú)饨M提供氮?dú)鈿庠矗瑑上鄽怏w在混合罐內(nèi)混合，通過液壓伺服調(diào)節(jié)閥控制空氣輸入量，實(shí)現(xiàn)氣體在混合罐內(nèi)氧濃度閉環(huán)，通過在混合罐的輸出管路設(shè)置液壓伺服調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)富氮?dú)怏w的流量閉環(huán)。同時，利用半導(dǎo)體激光氣體分析儀實(shí)時測量混合罐內(nèi)混合氣體的氧濃度，質(zhì)量流量計實(shí)時測量混合后輸出氣體的流量。根據(jù)惰化機(jī)載制氮系統(tǒng)產(chǎn)生的富氮?dú)怏w技術(shù)指標(biāo)，要求富氮?dú)怏w模擬系統(tǒng)提供富氮?dú)怏w流量在46～108 kg/h，精度±5 kg/h，氧濃度2%～20%，精度±1%，流量和濃度連續(xù)可調(diào)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

富氮?dú)怏w模擬系統(tǒng)原理如圖1所示。系統(tǒng)的氮?dú)鈿庠粗酚晒I(yè)氮?dú)饨M、減壓匯流排組成，減壓后將出口壓力調(diào)為恒壓0.2 MPa，輸進(jìn)混合罐。系統(tǒng)氧氣氣源由空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣提供，空壓機(jī)出口壓力最高1 MPa，輸出氣體經(jīng)汽水分離器過濾，并通過氧濃度伺服閥調(diào)節(jié)氧氣的供給量。兩相氣體均在混合罐的下部充入，以便充分混合。抽取混合罐內(nèi)富氮?dú)怏w樣氣并進(jìn)行氧濃度測量的采樣管設(shè)置在罐體上部?；旌瞎掭敵龅母坏?dú)怏w，經(jīng)流量伺服閥串聯(lián)節(jié)流，產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的流量值，并經(jīng)串聯(lián)的穩(wěn)壓罐后再送進(jìn)后端的被試驗(yàn)系統(tǒng)。傳感器P0實(shí)時測量空壓機(jī)出口管路的壓力p0，并作為測量頭，將測量值輸出給上位機(jī)控制系統(tǒng)，用以遠(yuǎn)程控制空壓機(jī)的自動啟或停。C是半導(dǎo)體激光氣體分析儀[6]，測量混合罐內(nèi)富氮?dú)怏w氧氣濃度Co并反饋到上位機(jī)，做氧濃度閉環(huán)測量頭；傳感器P1和T0測量混合罐內(nèi)的壓力p1和溫度T0，并將所測溫度T0輸入到半導(dǎo)體激光氣體分析儀的溫度補(bǔ)償模塊，對氧濃度測量的精度做溫度補(bǔ)償。傳感器P2測量穩(wěn)壓罐內(nèi)的壓力p2，確保輸送到下游的富氮?dú)怏w不超壓。流量計實(shí)時測量富氮?dú)怏w管路流量，并作為富氮?dú)怏w流量閉環(huán)的測量頭。系統(tǒng)中涉及的傳感器的輸出信號均是4～20 mA的電流信號，通過信號調(diào)理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集到遠(yuǎn)端的上位機(jī)，上位機(jī)控制軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)時監(jiān)控，控制算法的實(shí)現(xiàn)以及控制信號的輸出。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

富氮?dú)怏w流量和氧濃度控制系統(tǒng)原理如圖2所示，流量和氧濃度調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用雙閉環(huán)PID控制。PID控制是基于給定值和測量值的偏差控制，第k次采樣時刻的偏差定義為：

e(k)=rsv(k)-ypv(k)

(1)

則PID控制器數(shù)學(xué)表示如下[7]：

(2)

式中，rsv(k)為設(shè)定值；ypv(k)為反饋值；T為采樣周期；u(k)為控制量；KP為比例控制系數(shù)；Ti為積分作用時間；Td為微分作用時間；e(k-1)為第k-1采樣時刻的偏差值。

該伺服系統(tǒng)內(nèi)環(huán)是調(diào)節(jié)閥的位置控制，采用電液伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動滑窗閥作動； 外環(huán)是流量和氧濃度閉環(huán)控制。采用串聯(lián)節(jié)流的方式進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，當(dāng)指令流量高于反饋時，出現(xiàn)正偏差，經(jīng)PID控制調(diào)節(jié)閥開度增大，當(dāng)指令流量低于反饋時，出現(xiàn)負(fù)偏差，控制調(diào)節(jié)閥減小。根據(jù)惰化富氮?dú)怏w分配系統(tǒng)管徑，采用液壓伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動DN15滑窗閥，滑窗閥位置傳感器的行程大于1.5倍的調(diào)節(jié)閥行程，利用量程為0～300 kg/h的科氏質(zhì)量流量計實(shí)時測量并反饋管路氣體流量。

圖1 富氮?dú)怏w模擬系統(tǒng)設(shè)計原理圖

圖2 富氮?dú)怏w模擬系統(tǒng)控制系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)對氧濃度控制的原理是，當(dāng)測量到混合罐內(nèi)的氧濃度低于設(shè)定值時，出現(xiàn)正偏差，說明氧含量偏低，此時需使PID控制氧濃度調(diào)節(jié)閥開大，補(bǔ)入空氣，即對混合罐內(nèi)補(bǔ)氧；當(dāng)測量到混合罐內(nèi)的氧濃度高于設(shè)定值出現(xiàn)正偏差時，說明氧含量偏高，此時需調(diào)小PID控制氧濃度閥乃至關(guān)閉，此時由于后端流量還在輸出，導(dǎo)致混合罐內(nèi)壓力下降，從而使工業(yè)氮?dú)饧涌煅a(bǔ)進(jìn)混合罐以降低氧氣濃度。氧濃度調(diào)節(jié)過程中，工業(yè)氮?dú)馄拷?jīng)減壓后以恒壓0.2 MPa輸出，氮?dú)夂脱鯕獾难a(bǔ)充是差動進(jìn)行的，氧氣補(bǔ)充過量混合罐內(nèi)壓力升高，氮?dú)庋a(bǔ)充自然減少；氧氣補(bǔ)充關(guān)閉時，混合罐內(nèi)壓力降低，氮?dú)庋a(bǔ)充自然增加。氧濃度調(diào)節(jié)閥也采用液壓伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動的 DN15滑窗閥，閥位置傳感器與流量調(diào)節(jié)閥的一致。氧氣濃度測量由半導(dǎo)體激光氣體分析儀完成，儀器內(nèi)部激光器發(fā)出特定波長的激光束，利用激光能量被氧氣體分子選頻吸收形成吸收光譜的原理，來測量分析混合氣體中的氧濃度[6]。由于空壓機(jī)壓縮后輸入混合罐內(nèi)的氣體溫度會發(fā)生變化，分析儀對被測氣體的溫度變化較為敏感，所以配備的激光氣體分析儀數(shù)據(jù)處理模塊中帶有溫度補(bǔ)償功能，將混合罐內(nèi)的氣體溫度T0通過變送器以4～20 mA的信號接入分析儀數(shù)據(jù)處理模塊，保證儀表的測量精度。

對于空壓機(jī)出口壓力的控制，設(shè)計了自動和手動模式。自動模式下，根據(jù)空壓機(jī)出口壓力p0反饋值與設(shè)定值偏差輸出相應(yīng)的控制電壓到繼電器，進(jìn)而開關(guān)控制空壓機(jī)的自動啟停。設(shè)壓力下限為p1(k)，壓力上限為p2(k)，則當(dāng)起始壓力p0小于或等于p1(k)時，上位機(jī)指令控制繼電器吸合，使空壓機(jī)開，直至p0壓力上升到等于p2(k)時，指令控制繼電器斷開，使空壓機(jī)關(guān)；當(dāng)起始壓力值大于或等于p2(k)時，指令控制繼電器斷開，命令空壓機(jī)關(guān)，直至p0下降到等于p1(k)時，指令控制繼電器吸合，使空壓機(jī)開。若偏差定義為空壓機(jī)出口壓力p0與設(shè)定壓力p(k)的差值：

e(k)=p0-p(k)

(3)

開關(guān)控制算法表述為[8]：

式中，u(k)表示在k采樣時刻的控制電壓；u(k-1)表示k-1時刻控制電壓。在實(shí)際測試過程中，考慮到工業(yè)氮?dú)獾膿p耗嚴(yán)重，所以先利用空壓機(jī)組產(chǎn)生的壓縮空氣調(diào)試流量控制系統(tǒng)，然后再調(diào)試氧濃度控制系統(tǒng)。氧濃度控制系統(tǒng)和流量控制系統(tǒng)受控對象參數(shù)輸出都運(yùn)行平穩(wěn)之后，即可模擬機(jī)載制氮系統(tǒng)產(chǎn)生的富氮?dú)怏w指標(biāo)。

富氮?dú)怏w模擬控制系統(tǒng)上位機(jī)基于LabVIEW軟件進(jìn)行系統(tǒng)信號采集、信號處理、控制算法的實(shí)現(xiàn)[9-10]。富氮?dú)怏w模擬系統(tǒng)流量和氧濃度控制系統(tǒng)軟件操作界面如圖3所示，具備流量和氧濃度指令的設(shè)定、測量值的實(shí)時監(jiān)控及數(shù)據(jù)存儲功能。氧濃度和流量的控制方式可以選擇在手動模式下直接調(diào)整調(diào)節(jié)閥的開度實(shí)現(xiàn)，也可以選擇在自動模式下閉環(huán)控制。系統(tǒng)試運(yùn)行過程中，以Z-N臨界比例度方法[7]為理論指導(dǎo)，對兩組PID控制參數(shù)分別進(jìn)行整定。軟件操作界面上設(shè)置了對空壓機(jī)的遠(yuǎn)程開關(guān)操作，分手動和自動模式，并設(shè)置了對應(yīng)的開關(guān)閾值，與P0傳感器采集的值進(jìn)行比較后，發(fā)出指令驅(qū)動空壓機(jī)開或關(guān)。圖3是與圖4相對應(yīng)的富氮?dú)怏w流量和氧濃度控制系統(tǒng)軟件的程序框圖，根據(jù)電液伺服閥的行程上下限，在軟件中設(shè)置輸出控制電壓限制在0～5 V，保證調(diào)節(jié)閥能全開或全關(guān)。

圖3 富氮模擬控制系統(tǒng)操作界面

圖4 富氮模擬控制系統(tǒng)程序框圖

3 系統(tǒng)試驗(yàn)

3.1 富氮?dú)怏w壓力-流量調(diào)節(jié)

流量的穩(wěn)定得益于對空壓機(jī)出口管路壓力p0范圍的有效控制，即如前所述的基于上位機(jī)和繼電器控制的空壓機(jī)出口壓力反饋開關(guān)控制?？紤]到系統(tǒng)需安全健康運(yùn)行，系統(tǒng)搭建后經(jīng)反復(fù)調(diào)試得出，空壓機(jī)出口壓力p0在330～380 kPa的范圍內(nèi)時，可以確?；旌瞎掭敵龈坏?dú)怏w流量的穩(wěn)定性，此時混合罐內(nèi)的壓力p1為200±50 kPa。在流量閉環(huán)調(diào)試過程中，先只采用空壓機(jī)組提供的空氣，在線整定并固化一組流量控制系統(tǒng)PID參數(shù)。給定不同流量階躍指令，再根據(jù)流量響應(yīng)曲線的走勢，在線多次調(diào)整PID參數(shù)，確定流量控制的比例增益KP為0.002，積分時間Ti為0.01 min，微分時間Td為0，最終保證流量的輸出連續(xù)可調(diào)，且穩(wěn)態(tài)性能良好，控制精度在±5 kg/h?；旌瞎迌?nèi)壓力p1隨管路流量的變化如圖5所示，坐標(biāo)橫軸為時間，縱軸為壓力變化。由曲線知在46，60，108 kg/h三種流量下對應(yīng)的混合罐內(nèi)壓力在150～250 kPa之間。

3.2 富氮?dú)怏w流量-濃度調(diào)節(jié)

當(dāng)富氮?dú)怏w流量達(dá)到要求的穩(wěn)態(tài)值之后，開始進(jìn)行氣體混合。如前所述，調(diào)節(jié)工業(yè)氮?dú)馄砍隹趬毫Φ?.2 MPa，輸進(jìn)混合罐內(nèi)。通過半導(dǎo)體激光氣體分析儀實(shí)時測量混合罐內(nèi)氣體氧濃度，氧濃度值采集到上位機(jī)控制軟件界面，根據(jù)氧濃度變化趨勢在線整定氧濃度控制系統(tǒng)的PID參數(shù)，經(jīng)反復(fù)調(diào)試后確定，氧氣濃度控制的比例增益KP為0.08，積分時間Ti為3 min，微分時間Td為0。系統(tǒng)對給定的幾組氣體流量Q為46，60，108 kg/h，分別表現(xiàn)出跟蹤穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)精度在±5 kg/h范圍內(nèi)。待流量穩(wěn)定后，分別調(diào)節(jié)21%的富氮?dú)怏w氧濃度Co為2%，4%，8%，12%以及由21%～2%階躍變化，同步響應(yīng)曲線如圖6所示，坐標(biāo)橫軸為時間，縱軸表示富氮?dú)怏w氧濃度和流量。由曲線知系統(tǒng)對氧濃度的控制連續(xù)可調(diào)，穩(wěn)態(tài)性能良好，氧濃度穩(wěn)態(tài)精度在±1%以內(nèi)。該同步調(diào)節(jié)試驗(yàn)結(jié)果也表明，先前單純采用空壓機(jī)組提供的空氣介質(zhì)整定的流量PID參數(shù)，同樣適用于混合之后的富氮?dú)怏w流量控制，該控制參數(shù)對混合氣體的流量控制性能良好。同步調(diào)節(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，本設(shè)計中富氮?dú)怏w模擬系統(tǒng)輸出的富氮?dú)怏w流量和氧濃度均能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖5 富氮?dú)怏w流量及其混合罐對應(yīng)的壓力曲線

4 結(jié)論

本研究圍繞模擬機(jī)載制氮系統(tǒng)產(chǎn)生的富氮?dú)怏w氧濃度和流量指標(biāo)，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一套富氮?dú)怏w模擬系統(tǒng)，進(jìn)行了系統(tǒng)的總體設(shè)計、系統(tǒng)的搭建、控制系統(tǒng)設(shè)計、測控軟件的編寫與綜合試驗(yàn)。給出了三組不同的富氮?dú)怏w流量和混合罐內(nèi)壓力組合試驗(yàn)曲線，五組不同的富氮?dú)怏w氧濃度和流量的組合曲線。

試驗(yàn)過程和結(jié)果表明，該系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)混合罐后流量的連續(xù)可調(diào)，關(guān)鍵在于控制混合罐內(nèi)氣體壓力在合適的范圍。本設(shè)計中采用帶壓力反饋閉環(huán)的繼電器開關(guān)控制空壓機(jī)的啟停來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，后端再通過流量伺服閥的自動微調(diào)保證流量穩(wěn)定，文中給出了試驗(yàn)驗(yàn)證。要保證混合罐內(nèi)氣體氧濃度的連續(xù)可調(diào)，關(guān)鍵在于控制混合罐入口的空氣的進(jìn)氣量。本設(shè)計中采用基于半導(dǎo)體激光氣體分析儀在線測量氧濃度，并實(shí)時反饋給控制系統(tǒng)，以驅(qū)動氧濃度伺服閥的開合來調(diào)節(jié)空氣的補(bǔ)給量，文中給出試驗(yàn)驗(yàn)證。本研究介紹的富氮?dú)怏w氧濃度和流量閉環(huán)同步連續(xù)可調(diào)的方法目前還沒有先例，希望能為相近的應(yīng)用領(lǐng)域提供思路或借鑒。

圖6 富氮?dú)怏w氧濃度及其流量同步響應(yīng)曲線