三防濾毒通風(fēng)系統(tǒng)的可行性計(jì)算分析和控制

李志超，劉顯勤，吳林瑞，劉 杰，朱朝文

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

0 引言

“三防”是指防核武器、防生物武器、防化學(xué)武器，簡(jiǎn)稱“防核生化”。在核戰(zhàn)爭(zhēng)、生物戰(zhàn)、化學(xué)戰(zhàn)的情況下，三防濾毒通風(fēng)系統(tǒng)將外界受污染的空氣經(jīng)過過濾處理送入駕駛室內(nèi)，并使駕駛室保持一定超壓，阻止外界受污染的空氣經(jīng)密封不嚴(yán)的孔口縫隙進(jìn)入，使駕駛室內(nèi)形成一個(gè)無污染的防護(hù)空間。

PID控制算法以其計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性好、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于過程控制。理論上講，PID算法只能控制線性時(shí)不變系統(tǒng)。那么濾毒通風(fēng)系統(tǒng)是否適合使用PID控制算法進(jìn)行控制呢？本文分別從車速、風(fēng)速、泄漏量、風(fēng)機(jī)、濾毒罐通風(fēng)率等方面分析了使用PID控制算法的可行性。

1 系統(tǒng)組成和工作方式

三防濾毒通風(fēng)系統(tǒng)由管路系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、濾毒罐、控制器、污染傳感器、差壓變送器組成(見圖1)。主要影響系統(tǒng)控制功能的有管路系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、濾毒罐。下面分別對(duì)這幾種因素進(jìn)行分析。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

三防濾毒通風(fēng)系統(tǒng)將空氣從風(fēng)機(jī)吸入，通過濾毒罐過濾處理之后到達(dá)駕駛室。駕駛室壓力與車速、風(fēng)速、風(fēng)機(jī)、駕駛室泄漏量、駕駛室體積、濾毒罐通風(fēng)率有關(guān)。

2 影響駕駛室內(nèi)外壓差的因素

駕駛室內(nèi)外應(yīng)保持一定壓力差別，內(nèi)部壓力大于外部壓力，使得駕駛室外的污染氣體不能滲透到駕駛室內(nèi)部。

2.1 車速和風(fēng)速對(duì)壓差的影響

駕駛室內(nèi)外壓差受車速和風(fēng)速的影響，駕駛室外的風(fēng)壓會(huì)使駕駛室內(nèi)外壓差減小。其中，風(fēng)壓與風(fēng)速的貝努利公式如式(1)所示：

(1)

式中：P風(fēng)為風(fēng)壓，Pa；V為V=V風(fēng)·cosα+V車；V風(fēng)為風(fēng)速，m/s；α為風(fēng)向與車輛行駛方向的夾角，度；V車為車速，m/s；ρ為空氣密度，t/m3，ρ=0.001 25e-0.000 1Z，其中Z為海拔高度，取海拔高度為10 m時(shí)，ρ=0.001 248 75。

在污染環(huán)境中作戰(zhàn)，取最大行駛速度不大于45 km/h(12.5 m/s)。在控制要求中，平均風(fēng)速為15 m/s，最大風(fēng)速為22.5 m/s。施放毒氣時(shí)風(fēng)速一般不超過4級(jí)，為8 m/s，但對(duì)于核輻射，應(yīng)按要求速度計(jì)算。設(shè)：防護(hù)體頂風(fēng)行駛，cos α=1。

當(dāng)V車=12.5 m/s：當(dāng)V風(fēng)=8 m/s時(shí)，P風(fēng)=262.4 Pa；當(dāng)V風(fēng)=15 m/s時(shí)，P風(fēng)=472.2 Pa；當(dāng)V風(fēng)=22.5m/s時(shí)，P風(fēng)=764.8 Pa；當(dāng)V車=0 m/s：當(dāng)V風(fēng)=8 m/s時(shí)，P風(fēng)=40 Pa；當(dāng)V風(fēng)=15 m/s時(shí)，P風(fēng)=140.5 Pa；當(dāng)V風(fēng)=22.5 m/s時(shí)，P風(fēng)=316.1 Pa。

在防護(hù)過程中，駕駛室保持一定超壓，即可防止駕駛室外有毒氣體進(jìn)入駕駛室。因此，系統(tǒng)要求停車時(shí)，駕駛室內(nèi)外壓差值不小于350 Pa，車速為最大狀態(tài)45 km/h時(shí)，壓差值不小于800 Pa。

2.2 濾毒罐送風(fēng)量與壓力的關(guān)系

2.2.1 風(fēng)量

為保證艙內(nèi)乘員呼吸用氧，且二氧化碳濃度不超過限定值，一般常溫條件下每人需要3～8 m3/h的通風(fēng)量，溫?zé)釛l件下每人需要10～15 m3/h的通風(fēng)量。駕駛室內(nèi)按4人計(jì)算，最大通風(fēng)量需要60 m3/h，因此駕駛室內(nèi)送風(fēng)量的額定值為80 m3/h；范圍為60～120 m3/h(即系統(tǒng)的送風(fēng)量60～120 m3/h)。為了留有余量，濾毒通風(fēng)裝置中選用了200 m3/h的濾毒罐。

2.2.2 濾毒罐空氣流阻力

當(dāng)送風(fēng)量為200 m3/h時(shí)，濾毒罐空氣流阻力不大于1 570 Pa，當(dāng)送風(fēng)量為120 m3/h時(shí)，濾毒罐空氣流阻力不大于1 000 Pa。

2.3 風(fēng)機(jī)送風(fēng)曲線

圖2為選用風(fēng)機(jī)的壓力與送風(fēng)量之間的關(guān)系曲線，當(dāng)內(nèi)部壓力小于1 800 Pa時(shí)，風(fēng)機(jī)送風(fēng)量不小于300 m3/h。當(dāng)內(nèi)部壓力小于2 400 Pa時(shí)，風(fēng)機(jī)送風(fēng)量不小于150 m3/h。即風(fēng)機(jī)送風(fēng)量壓力在控制范圍內(nèi)。上述曲線無明確的關(guān)系表達(dá)，但從圖可以看出，用二次曲線擬合是可以達(dá)到相當(dāng)精度的。

圖2 風(fēng)機(jī)送風(fēng)量與壓力的關(guān)系圖

2.4 系統(tǒng)阻力

濾毒通風(fēng)裝置除風(fēng)機(jī)、濾毒罐和駕駛室體積外，其系統(tǒng)阻力R還包括進(jìn)風(fēng)口過濾器阻力R1、管道阻力R2、濾毒罐阻力R3、出口剩余壓力ΔP(即是駕駛室的超壓) ，如式(2)所示：

R=R1+R2+R3+ΔP

(2)

管道阻力與空氣性質(zhì)、管道材料、長(zhǎng)度、斷面尺寸、結(jié)構(gòu)形式等因素有關(guān)。盡管沒有R1和R2的測(cè)試數(shù)據(jù)，但估計(jì)R1+R2不大于100 Pa。在濾毒罐的風(fēng)量為120 m3/h情況下，R3=1 000 Pa。因此有:R=100 Pa+1 000 Pa+800 Pa=1 900 Pa。

2.5 泄漏量(通風(fēng)量)對(duì)壓差的影響和其他因素

通風(fēng)量是保證駕駛室內(nèi)空氣流通的必要條件，根據(jù)2.2.1的條件，駕駛室通風(fēng)量須在12～60 m3/h。通風(fēng)量一部分通過泄漏量實(shí)現(xiàn)，另一部分需要通過通氣孔或其他換氣方式實(shí)現(xiàn)，為了計(jì)算方便，這里統(tǒng)一用泄漏量來表示。

泄漏量也是駕駛室內(nèi)外壓差的一個(gè)影響因素，泄漏量大時(shí)，壓差減小得快，泄漏量小時(shí)，壓差減小得慢。所以對(duì)風(fēng)機(jī)的控制還要考慮泄漏量的影響，泄漏量大，則風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，泄漏量小，則風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低。而泄漏量的大小又受壓差大小的影響，壓差大，則泄漏量大，壓差小，則泄漏量小。對(duì)于泄漏量的計(jì)算可以采用公式法，計(jì)算公式如式(3)所示：

(3)

對(duì)于駕駛室來說，駕駛室正面是迎風(fēng)面，駕駛室后面背風(fēng)，當(dāng)風(fēng)向從行駛方向正面從前往后時(shí)，駕駛室背面可能小于大氣壓，即駕駛室內(nèi)外壓差發(fā)生變化，當(dāng)在背面有泄漏孔時(shí)，泄漏量的計(jì)算與前面、側(cè)面、上面的計(jì)算均有差別，由于現(xiàn)有壓差左右駕駛室僅有一個(gè)位置測(cè)量，因此駕駛室壓差的控制不是一個(gè)線性控制。根據(jù)以上分析計(jì)算，駕駛室壓差、風(fēng)機(jī)送風(fēng)量、駕駛室泄漏量等主要控制參數(shù)是可以用方程解算且是可控的，根據(jù)PID可以控制時(shí)不變系統(tǒng)的理論，選用PID來實(shí)現(xiàn)對(duì)壓差的計(jì)算。

3 駕駛室內(nèi)外壓差的控制

3.1 PID控制算法

系統(tǒng)通過調(diào)整占空比的方式控制風(fēng)機(jī)PWM信號(hào)輸出，進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使駕駛室保持一定超壓。當(dāng)駕駛室內(nèi)外理論壓差值與實(shí)際壓差值之差在一定范圍內(nèi)時(shí)，自動(dòng)切換到PID控制方法控制輸出占空比。PID控制算法是工業(yè)控制領(lǐng)域中被廣泛采用的控制方法，其中P是比例，具有對(duì)目前偏差量負(fù)責(zé)的特點(diǎn)；I是積分，它是在時(shí)間坐標(biāo)上對(duì)K時(shí)刻及K時(shí)刻以前的偏差量的總結(jié)，形成的控制量具有對(duì)歷史數(shù)據(jù)負(fù)責(zé)的特點(diǎn)；D是微分，它是對(duì)K+1時(shí)刻偏差量變化趨勢(shì)的一種預(yù)報(bào)或預(yù)測(cè)，具有對(duì)未來負(fù)責(zé)的特點(diǎn)。因此PID控制算法具有全局消差的能力。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

它主要由PID控制部分和被控對(duì)象組成。它根據(jù)駕駛室內(nèi)外理論壓差值r(t)與駕駛室內(nèi)外實(shí)際值y(t)構(gòu)成的偏差信號(hào)e(t)，將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。PID算術(shù)表達(dá)式如式(4)所示：

(4)

式中：u(t)為系統(tǒng)控制量u；e(t)為偏差e，e(t)=r(t)-y(t)；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

3.2 數(shù)字PID控制

計(jì)算機(jī)控制是一種數(shù)字控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)間的偏差值計(jì)算控制量。因此，連續(xù) PID 控制算法不能直接使用，故采用離散化方法。在計(jì)算機(jī) PID 控制中，使用的都是數(shù)字 PID 控制。

數(shù)字 PID 控制算法有很多種，比如位置式 PID 控制算法、增量式 PID 控制算法、積分分離 PID 控制算法、抗積分飽和 PID 控制算法、梯形積分 PID控制算法、不完全微分 PID 控制算法和步進(jìn)式 PID 控制算法等。本文采用的PID 控制算法是位置式 PID 控制算法。

數(shù)字 PID 算法可用差分方程來實(shí)現(xiàn)，以矩形法數(shù)值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，如式(5)所示：

(5)

其中：T是采樣周期。

為了書寫方便，將e(kT)簡(jiǎn)化表示為e(k)，即省去T，將式(5)代入式(4)可得離散PID表達(dá)式，如式(6)、式(7)所示：

(6)

(7)

式中：k為采樣序號(hào)，k=1，2，…；u(k)為第k次采樣時(shí)刻的控制器輸出值；e(k)為第k次采樣時(shí)刻的輸入偏差值；e(k-1)為第k-1次采樣時(shí)刻的輸入偏差值；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)，Ki=Kp×T/Ti；Kd為微分系數(shù)，Kd=Kp×Td/T。式(7)即是位置式離散PID控制的最常見的表達(dá)形式。

3.3 應(yīng)用PID方法控制風(fēng)機(jī)PWM信號(hào)

應(yīng)用PID方法控制風(fēng)機(jī)PWM信號(hào)，只需控制風(fēng)機(jī)占空比信號(hào)即可，圖3中把控制量u(t)設(shè)置為占空比百分?jǐn)?shù)值，即：如果u(t)等于10，則占空比為10%。r(t)代表在相應(yīng)車速下的理論壓差值，y(t)代表實(shí)際壓差值，壓差的偏差值為e(t)=r(t)-y(t)。應(yīng)用公式(7)實(shí)時(shí)計(jì)算風(fēng)機(jī)PWM控制信號(hào)，輸出控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

駕駛室內(nèi)空氣的泄漏量受駕駛室內(nèi)外壓差大小的影響，壓差大，則泄漏量大，壓差小，則泄漏量小。所以PID控制算法的參數(shù)Kp、Ki、Kd的取值隨著駕駛室內(nèi)外實(shí)際壓差值的增減而變化，它們之間的邏輯關(guān)系可以根據(jù)試驗(yàn)來確定，通過試驗(yàn)建立一個(gè)邏輯關(guān)系表，不同壓差值的情況下取不同的參數(shù)值，應(yīng)用查表所得參數(shù)值和駕駛室內(nèi)外理論壓差值與實(shí)際壓差值之差e對(duì)風(fēng)機(jī)的PWM信號(hào)進(jìn)行控制，即可實(shí)現(xiàn)濾毒通風(fēng)系統(tǒng)的控制。

4 結(jié)語

本文分析影響駕駛室內(nèi)外壓差的幾個(gè)因素，得出了可以用PID方法控制駕駛室內(nèi)外壓差的結(jié)論。同時(shí)分別介紹了駕駛室內(nèi)外壓差的控制方法、風(fēng)機(jī)的控制方法，以及采取PID控制方法控制風(fēng)機(jī)PWM信號(hào)的輸出占空比，對(duì)濾毒通風(fēng)系統(tǒng)的后續(xù)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，并對(duì)同類型的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較好的參考價(jià)值。