飛行高度環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程 曠，王利恒

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢 430205）

飛行高度環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)是用于對(duì)高空上升、下降等高程劇烈變化環(huán)境進(jìn)行模擬的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由于高空環(huán)境的特殊性，每次高空試驗(yàn)成本高，為了提高機(jī)載/傘降等設(shè)備的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)度，同時(shí)減少開(kāi)發(fā)試驗(yàn)成本，在實(shí)際高空試驗(yàn)之前，利用飛行高度環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行地面模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試[1]。

該系統(tǒng)包含氣壓控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)氣壓控制系統(tǒng)控制管道的抽氣閥門(mén)開(kāi)度和進(jìn)氣閥門(mén)開(kāi)度來(lái)控制管道氣體流量，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)箱內(nèi)的不同壓力值的建立和保持[2]。通過(guò)TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)控制過(guò)程的數(shù)據(jù)監(jiān)控，實(shí)時(shí)在上位機(jī)顯示高度、速度等數(shù)據(jù)。

本文設(shè)計(jì)的飛行高度環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)0～10000 m 高空的氣壓環(huán)境模擬，同時(shí)針對(duì)高空上升和下降過(guò)程的速度變化也能進(jìn)行設(shè)定和模擬。為機(jī)載/傘降等設(shè)備的地面測(cè)試試驗(yàn)研究提供了平臺(tái)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

飛行高度環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)包含密閉試驗(yàn)箱、真空發(fā)生器以及電動(dòng)針型閥等部件。真空發(fā)生器針對(duì)所需環(huán)境有多種選擇，該系統(tǒng)試驗(yàn)箱容量較小，用小型真空泵就能滿(mǎn)足要求。真空泵通過(guò)管道連接到緩沖罐，緩沖罐再與試驗(yàn)箱連接。氣路管道之間由電動(dòng)針閥控制氣體進(jìn)出流量。電動(dòng)針閥選用上海依陽(yáng)NCNV 系列，該系列電動(dòng)針閥具有小于2%滯后、2%線性、1%重復(fù)性和0.2%分辨率的可調(diào)流量控制。系統(tǒng)整體示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體示意圖Fig.1 Overall schematic diagram of system

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)部的氣壓控制，對(duì)飛行高度環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)分為3 部分，分別為試驗(yàn)箱內(nèi)部的氣壓采集部分，氣路管道的電動(dòng)針閥控制部分和上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控部分。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

飛行高度環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包含氣壓采集、電動(dòng)針形閥控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠?。整體硬件結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of system hardware structure

2.1 氣壓采集部分

氣壓采集硬件部分由主控GD32、氣壓計(jì)、藍(lán)牙模塊、電源管理等部分組成。整體硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 氣壓采集硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware structure diagram of air pressure acquisition

氣壓采集部分選擇GD32F150R8T6 作為主控芯片，GD32F150 系列芯片采用ARM Cortex-M3 的32處理器內(nèi)核，主頻為72 MHz，提供高達(dá)64 K FLASH和8 K SRAM，外設(shè)接口豐富，內(nèi)部資源充足，可以實(shí)現(xiàn)多種外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸。

氣壓計(jì)選擇MS5611，該氣壓計(jì)體積?。?.0 mm*3.0 mm*1.7 mm），高度分辨率為10 cm，通信協(xié)議簡(jiǎn)單，具有SPI 和I2C 總線接口，無(wú)需對(duì)傳感器內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程，為用戶(hù)提供精確的數(shù)字24 位壓力和溫度值。具有低滯后和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。

藍(lán)牙傳輸選擇HC-42 藍(lán)牙模塊。該模塊是新一代的基于Bluetooth Specification V5.0 BLE 藍(lán)牙協(xié)議的數(shù)傳模塊。無(wú)線工作頻段為2.4 GHz ISM，調(diào)制方式是GFSK。模塊最大發(fā)射功率為4 dBm，接收靈敏度-96 dBm。兩塊HC-42 在設(shè)置好主從模式后能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連接和數(shù)據(jù)收發(fā)，適用于試驗(yàn)箱與外部控制板之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

由于氣壓采集在試驗(yàn)箱內(nèi)部，外部供電對(duì)試驗(yàn)箱氣密性影響較大，因而氣壓采集部分選用鋰電池供電。針對(duì)電池供電還設(shè)計(jì)了電池充電管理電路，鋰電池充放電保護(hù)電路和電源適配電路。

電池充電管理電路選用TP4057 芯片，該芯片是一款單節(jié)鋰電池恒流/恒壓線性充電器，同時(shí)具有電池溫度監(jiān)控，欠壓鎖定和自動(dòng)再充等特性。

鋰電池充放電保護(hù)電路選用DW06D，該芯片具有過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流及短路等所有的電池所需保護(hù)功能。

2.2 控制板部分

控制板硬件由主控GD32、藍(lán)牙模塊，Wi-Fi 模塊、真空泵控制電路和電動(dòng)針閥驅(qū)動(dòng)電路等組成?？刂瓢逭w硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制板硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Hardware structure diagram of control board

控制板同樣選用GD32F150R8T6 作為主控芯片，藍(lán)牙模塊選擇和氣壓采集部分一樣的HC-42。

選用HC-25 Wi-Fi 模塊與上位機(jī)進(jìn)行通訊，HC-25 是基于UART 接口的符合Wi-Fi 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11 協(xié)議棧以及TCP/IP 協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶(hù)串口數(shù)據(jù)到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。

控制板還包含一路真空泵控制電路和兩路電動(dòng)針形閥控制電路。

真空泵額定電壓為220 V，額定功率0.9 kW，選用雙向晶閘管JST 16A-600BW 作為開(kāi)關(guān)控制器件。JST 16A-600BW 輸出電流容量≤16 A，可控電壓≤600 V。滿(mǎn)足真空泵在正常工作時(shí)的電流和電壓要求。采用雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)光耦MOC3083 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)晶閘管的控制。

NCNV 系列電動(dòng)針閥的工作電壓為24 V，控制信號(hào)為0～10 V 電壓信號(hào)，閥門(mén)開(kāi)度控制采用PWM輸出的方式，通過(guò)ADR02 芯片產(chǎn)生5 V 基準(zhǔn)電壓，利用LM358 運(yùn)算放大器正向放大電路得到10 V 基準(zhǔn)電壓，單片機(jī)輸出PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOS 管IRF530，得到0～10 V 電壓，經(jīng)過(guò)兩級(jí)低通濾波除去高頻噪聲。為了增大輸出阻抗，避免PWM 輸出得到的電壓受到負(fù)載影響，利用LM358 運(yùn)算放大器組成電壓跟隨電路實(shí)現(xiàn)0～10 V 輸出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

飛行高度環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)是利用氣壓和海拔之間的變化關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)高程環(huán)境變化的模擬。試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)氣壓采集部分得到試驗(yàn)箱內(nèi)的氣壓和溫度，經(jīng)轉(zhuǎn)換得出對(duì)應(yīng)氣壓下的海拔高度，結(jié)合海拔高度變化計(jì)算出上升/下降的速度。根據(jù)設(shè)定的高度值和速度值，利用PID 控制算法控制電動(dòng)針形閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)高度控制和速度控制。

3.1 氣壓采集部分

氣壓采集通過(guò)氣壓計(jì)MS5611 實(shí)現(xiàn)，MS5611 讀取溫度和氣壓值，根據(jù)溫度和氣壓值轉(zhuǎn)換成海拔高度，氣壓-海拔高度轉(zhuǎn)換公式如式（1）所示：

式中：H 是以m 為單位的海拔高度值；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值；P 為當(dāng)前某一高度的大氣壓值[3-4]。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，采用海平面溫度為15 ℃時(shí)氣壓為1013.25 hPa。將其值代入公式（1）中，得到對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)海拔高度和大氣壓力關(guān)系，根據(jù)關(guān)系式得出氣壓和海拔高度線性關(guān)系較強(qiáng)，但公式（1）的計(jì)算較為復(fù)雜，存在大量浮點(diǎn)運(yùn)算和指數(shù)運(yùn)算。若是直接由單片機(jī)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，會(huì)占用大量?jī)?nèi)存資源，降低單片機(jī)的運(yùn)行速度[5]。因此，在系統(tǒng)允許的誤差范圍內(nèi)對(duì)原公式采用線性插值法進(jìn)行擬合處理，大大簡(jiǎn)化計(jì)算量，插值公式為[6-7]

應(yīng)用公式（2）計(jì)算高度，xi，yi分別為第i 個(gè)插值點(diǎn)的氣壓值、高度值。當(dāng)氣壓值x 采集后，與xi比較找到其所在區(qū)間（xi，xi+1），然后代入相應(yīng)的xi，yi和xi+1，yi+1值，即可計(jì)算出相應(yīng)高度值y。

在程序中對(duì)線性插值法得到的高度值進(jìn)行中值濾波處理，除去較大的噪聲干擾。對(duì)單片機(jī)計(jì)算得到的速度值進(jìn)行滑動(dòng)均值濾波處理，使得速度變化更加平滑，消除尖刺[8]。最后將計(jì)算得到的高度、速度以及原始?xì)鈮汉蜏囟韧ㄟ^(guò)串口傳輸給藍(lán)牙模塊，通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送到控制板。氣壓采集部分的程序流程如圖5所示。

圖5 氣壓采集部分程序流程Fig.5 Program flow chart of air pressure acquisition

3.2 控制板部分

控制板通過(guò)藍(lán)牙模塊接收的高度和速度值，與Wi-Fi 接收到的設(shè)定值比較得出偏差，根據(jù)偏差值利用PID 控制算法計(jì)算得到輸出值，控制電動(dòng)針形閥動(dòng)作，同時(shí)通過(guò)Wi-Fi 發(fā)送控制過(guò)程中的海拔高度和速度，在上位機(jī)接收顯示?？刂瓢宄绦蛄鞒倘鐖D6所示。

圖6 控制板程序流程Fig.6 Control board program flow chart

3.3 閥門(mén)控制算法

飛行高度環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的氣路管道裝有兩個(gè)電動(dòng)針形閥，分別控制試驗(yàn)箱的抽氣和進(jìn)氣過(guò)程（即控制試驗(yàn)箱的負(fù)壓和正壓）。對(duì)于兩個(gè)閥門(mén)均采用PID 控制算法，對(duì)設(shè)定值與測(cè)量值的偏差計(jì)算出兩個(gè)閥門(mén)的開(kāi)度（PWM 輸出值），PID 控制系統(tǒng)原理如圖7所示。

圖7 PID 控制原理圖Fig.7 PID control principle diagram

根據(jù)PID 控制算法的理論，其原始模型的PID數(shù)學(xué)公式為

式中：KP為比例參數(shù)；TI為積分參數(shù)；TD為微分參數(shù)；e（t）為測(cè)量值與設(shè)定值的偏差；u（t）為t 時(shí)刻輸出的控制量[9]。

將模擬PID 算法公式進(jìn)行數(shù)字化，用em累加表示積分，em-em-1表示微分，得到數(shù)字的PID 算法公式為[10]

進(jìn)氣PID 控制器控制試驗(yàn)箱內(nèi)的正壓變化，抽氣PID 控制器控制試驗(yàn)箱內(nèi)的負(fù)壓變化。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)箱的正壓和負(fù)壓控制實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)箱內(nèi)部壓力的變化。

海拔高度控制分上升階段和下降階段，在保持抽氣閥和進(jìn)氣閥一定開(kāi)度下，試驗(yàn)箱內(nèi)海拔高度變化基本呈線性趨勢(shì)。

在海拔高度控制的上升階段（即氣壓減小階段）主要由抽氣PID 控制器參與控制，進(jìn)氣PID 控制器保持一定開(kāi)度不變；在海拔高度控制的下降階段（即氣壓增大階段）主要由進(jìn)氣PID 控制器參與控制，抽氣PID 控制器保持一定開(kāi)度不變。

速度控制同樣分上升階段和下降階段，在保持抽氣閥和進(jìn)氣閥一定開(kāi)度下速度變化存在階段性。在上升階段，速度開(kāi)始時(shí)快速增大，后慢慢穩(wěn)定；在下降階段，速度剛開(kāi)始較大，然后慢慢穩(wěn)定，最后快速減小，分析過(guò)程得知上升階段的速度快速增大和下降階段的速度快速減小是由于試驗(yàn)箱內(nèi)氣壓與外界大氣壓相近時(shí)，試驗(yàn)箱受外界氣壓擾動(dòng)導(dǎo)致。對(duì)照海拔高度變化可將控制區(qū)間分為0～1000 m 和1000～3000 m。

因此速度控制時(shí)，在1000～3000 m 范圍，上升階段主要由抽氣PID 控制器參與控制，下降階段主要由進(jìn)氣PID 控制器參與控制；在0～1000 m 范圍，則需要抽氣PID 控制器和進(jìn)氣PID 控制同時(shí)參與控制。

4 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)對(duì)飛行高度環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn)。

4.1 海拔高度測(cè)試

針對(duì)常用的機(jī)載/傘降等產(chǎn)品的實(shí)際高空工作環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行海拔3000 m 內(nèi)高度上升測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 海拔高度上升曲線Fig.8 Elevation rise curve

從圖8中可以看出，本系統(tǒng)在海拔高度上升控制過(guò)程中，響應(yīng)速度快，在1 s 左右均能達(dá)到設(shè)定值，靜態(tài)誤差小于0.01%，超調(diào)小于0.02%。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行海拔3000 m 內(nèi)高度下降測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 海拔高度下降梯度曲線Fig.9 Altitude descent gradient curve

從圖9中可以看出，系統(tǒng)在下降階段海拔高度控制中，響應(yīng)速度快，0.5 s 左右達(dá)到設(shè)定值，靜態(tài)誤差小于0.01%，超調(diào)量小于0.05%。

針對(duì)上升、下降階段不同海拔高度測(cè)試結(jié)果，飛行高度環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)在不同設(shè)定高度下，響應(yīng)較為快速，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間短，同時(shí)超調(diào)量也在誤差許可范圍內(nèi)。

4.2 速度測(cè)試

速度測(cè)試中定義上升為正方向，下降為負(fù)方向。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不同速度下降階段速度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 下降階段速度曲線Fig.10 Speed curve in descending stage

從圖10可以看出，圖10（a）圖是速度從-20 m/s～-10 m/s 的變化曲線，在速度為-20 m/s 時(shí)，靜態(tài)誤差小于10%，速度變化過(guò)程中超調(diào)量小于30%，靜態(tài)誤差小于20%；圖10（b）圖是速度從-15 m/s～-5 m/s的變化曲線，在速度為-15 m/s 時(shí)，靜態(tài)誤差小于10%，變化過(guò)程中超調(diào)量小于30%，靜態(tài)誤差小于10%。

結(jié)合上升、下降階段不同速度測(cè)試結(jié)果可以看出，在速度變化階段，系統(tǒng)響應(yīng)速度較快。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，飛行高度環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)在不同速度條件下，滿(mǎn)足控制要求。

5 結(jié)語(yǔ)

基于飛行高度環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)控制試驗(yàn)箱內(nèi)的氣壓變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載/傘降等產(chǎn)品實(shí)際高空測(cè)試環(huán)境的模擬，為機(jī)載/傘降等產(chǎn)品提供了模擬試驗(yàn)平臺(tái)。系統(tǒng)的響應(yīng)速度小于1 s，高度控制精度為±10 m，速度控制精度為±3 m/s，該系統(tǒng)在海拔高度和速度的控制上較好地滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。