基于AMESim的機組氧氣系統(tǒng)仿真研究

萬書婷

【摘 要】機組氧氣系統(tǒng)對控制的精度、速度和穩(wěn)定性都有很高的要求，本文通過AMESim軟件對機組氧氣系統(tǒng)控制進行仿真和優(yōu)化，通過增加PID控制器使系統(tǒng)的響應時間和系統(tǒng)穩(wěn)定性有了大幅度的提升，并且實現(xiàn)起來簡單易行，在未來機型上有很好地應用前景。

【關鍵詞】機組氧氣系統(tǒng)；氧氣面罩；AMESIM軟件；PID控制

0 引言

飛機氧氣系統(tǒng)在艙內(nèi)壓力高度超過設定值或艙內(nèi)著火、有煙霧時為乘員提供生命活動必要的氧氣。因為供氧對象和需求不同分為機組氧氣系統(tǒng)、旅客氧氣系統(tǒng)和便攜式氧氣設備。旅客氧氣系統(tǒng)因供氧時間短多為化學氧；機組氧氣系統(tǒng)按適航要求需要2H以上供氧，因此需要氧氣瓶持續(xù)供氧。

按照AC25-20中對生理極限高度的定義：人類對高度增加的反應因人而異，在相當?shù)偷母叨?，抽煙或健康狀況欠佳人員會先于年輕和身體健康人員出現(xiàn)影響反應，如果沒有氧氣輔助，多數(shù)人員會開始經(jīng)歷夜視能力減弱現(xiàn)象，而正常視覺敏感度是在約5000英尺高度，在大約10000英尺高度上，經(jīng)歷幾個小時之后，人員會開始表現(xiàn)出智力敏感度和體力靈巧度減弱，在18000英尺，智力減弱會引起神志不清，有效清醒時間（TUC）約為15分鐘，在25000英尺，多數(shù)人員的TUC約為3-10分鐘，在25000英尺以上高度，TUC快速降低，在40000英尺，就只剩幾秒鐘了。然而，如果一人呼吸的是100%的氧氣，在34000英尺高度，肺內(nèi)局部氧壓與在海平面呼吸空氣時相同，在40000英尺，呼吸100%的氧氣，肺內(nèi)局部氧壓與在10000英尺呼吸空氣時相同，所以，34000英尺為人體組織缺氧完全防護的最高高度，40000英尺為100%吸氧人身防護最高高度，必須在有限的時間降低到安全高度。

通過人體在不同高度對氧氣的需求分析以我們可以發(fā)現(xiàn)隨著氣壓高度和自身條件的不同對氧氣濃度和壓力有著不同的需求，但現(xiàn)有氧氣設備在佩戴時即為飛行員提供100%濃度的加壓氧氣，從經(jīng)濟性和科學性上還有待優(yōu)化。如果能按外界氣壓高度不同和飛行員不同場合需要為機組人員提供不同工況的氧氣，會極大減輕氧氣系統(tǒng)重量，提升飛機經(jīng)濟性。但作為實現(xiàn)的基礎，氧氣系統(tǒng)精確控制方面研究還處于起步階段，氧氣系統(tǒng)數(shù)學建模存在空白。

本文針對機組氧氣系統(tǒng)的氧氣面罩容積、供氧人數(shù)及執(zhí)行器件等均對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響的問題，依據(jù)實際控制方案采用電機工作原理和質(zhì)量守恒原理通過合理簡化創(chuàng)建由輸入電壓到面罩內(nèi)氧氣濃度的數(shù)學模型。模型的建立為系統(tǒng)精確控制氧氣供給的實現(xiàn)以及控制算法的優(yōu)化提供試驗基礎。

機組供氧系統(tǒng)用于在應急情況下為機組成員提供必要的氧氣，因此，系統(tǒng)需要有很快的相應速度和極佳的穩(wěn)定性，在AC25-7A中要求，當座艙高度超過10000ft后，機組成員的反應時間為17s，佩戴氧氣面罩時間為5s。因此，機組氧氣系統(tǒng)從開始相應到氧氣面罩壓力和濃度滿足要求的時間最大不能超過5s中，在普通的控制過程相應速度和穩(wěn)定性要求很難滿足機組氧氣系統(tǒng)要求。本文采用PID控制器控制系統(tǒng)的響應速度加快、調(diào)節(jié)精度提高、穩(wěn)定性變好，系統(tǒng)的過度時間短。顯著特點就是，PID控制器在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時仍能表現(xiàn)出良好的控制性能指標，自適應能力強，這在實際的工程應用中具有重大意義。

1 機組氧氣系統(tǒng)建模

機組氧氣控制系統(tǒng)可通過對外側(cè)環(huán)境的實時監(jiān)控，按既定控制邏輯對氧氣瓶出口的調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)以控制氧氣釋放速度，保證為機組提供不同濃度和不同壓力的氧氣。

機組氧氣控制系統(tǒng)框架如圖1所示。本文針對該框架進行建模。

首先對氧氣面罩進行建模。將氧氣面罩假設成為一個含有輸入輸出的密閉容器。氧氣輸出入形式為閥門釋放，輸入速度為Q1；輸出形式為人體呼吸消耗，輸出速度為Q0。面罩內(nèi)容積為V，初始氧氣濃度為1，二次檢測濃度為2，根據(jù)質(zhì)量守恒在飛機上機組氧氣系統(tǒng)供氧采用壓縮供氧方式，氧氣從氧氣瓶中通過調(diào)節(jié)器為機組提供必需的氧氣。氧氣瓶同面罩間壓差恒定的前提下通過控制閥瓣的開度控制氧氣攝入面罩內(nèi)的進氣量同活門開度成正比，若飛行員狀態(tài)正常，呼吸恒定，呼吸所消耗的氧氣速度會在很定的區(qū)間內(nèi)浮動。

2 基于AMESim的氧氣控制系統(tǒng)控制器設計

AMESim提供了一個系統(tǒng)工程設計的完整平臺，使得用戶可以在一個平臺上建立復雜的多學科領域系統(tǒng)的模型，并在此基礎上進行仿真計算和深入的分析。

根據(jù)機組氧氣系統(tǒng)實際工作情況建立系統(tǒng)模型如圖2所示。用到的庫有機械庫、信號庫、控制系統(tǒng)庫和氣動庫。本文以某型飛機為例模擬機組氧氣系統(tǒng)模型，該型飛機最大飛行高度39800ft，飛行員需在座艙高度大于10000ft后佩戴氧氣面罩，機組氧氣系統(tǒng)由加壓氧氣瓶直接供氧，氧氣瓶容積為77ft3，瓶內(nèi)壓力為2200Psig。圖2是機組氧氣系統(tǒng)仿真模型。直接仿真可得到?jīng)]有經(jīng)過PID校正過的壓力變化曲線，面罩內(nèi)的壓力變化曲線如圖3所示。

由圖3可見，未經(jīng)PID校正的面罩內(nèi)壓力是一個穩(wěn)點上升的過程，其上升過程較為緩慢，可在10s左右達到穩(wěn)定狀態(tài)，但在實際過程中，飛行員需要在佩戴氧氣面罩的同時獲取足夠壓力和濃度的氧氣保證飛行員以足夠清醒的狀態(tài)完成飛機操控任務。因此，我們在仿真系統(tǒng)中增加PID控制以減少系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)的時間，系統(tǒng)校正模型如圖4所示，其中KP=200，KI=0.4，KD=0.2，對其仿真得到校正后的壓力變化曲線，如圖5所示。從圖5可以看到經(jīng)過PID控制后面罩內(nèi)壓力到達穩(wěn)態(tài)的時間由原先的近10s中減少到少于1s，在實際飛行過程中飛行員從摘取氧氣面罩到佩戴氧氣面罩全過程用時5s，因此在加入PID控制以后，通過PID控制的快速性與穩(wěn)定性保證氧氣系統(tǒng)可滿足飛行員的需求。

3 總結(jié)

利用 AMESim對 PID 控制機組氧氣系統(tǒng)進行了模擬仿真，仿真模型直觀地、方便地反映了系統(tǒng)工作的動態(tài)特性。通過加入PID控制提升控制的響應速度和穩(wěn)定性，幫助飛行員能夠在最短時間內(nèi)獲取足夠壓力和濃度的氧氣，在極限狀態(tài)下使飛行員有足夠氧氣保證在清醒的狀態(tài)下完成各種飛機姿態(tài)操作。

【參考文獻】

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[責任編輯：侯天宇]