系留氣球壓力調節系統的建模和設計

摘 要：為了設計一種更安全有效的系留氣球壓力調節系統測控方法，首先分析系留氣球壓力調節系統的運行原理，并根據系留氣球系統的實際工程需求對壓力調節系統進行建模和分析；給出據此模型創建的一種具備可自由擴充條件的壓力調節控制策略。該策略把工程設計中的輸入量和輸出量有效分類，并利用嚴格的傳遞函數表達式將兩者表述出來，在氣球的安全控制和程序編制方面有很大的改進。最后簡要描述了已研制成功的某型系留氣球壓力調節系統的硬件設計和軟件設計方法，并給出通過系統實際運行的實驗結果，驗證了該模型的正確性。
關鍵詞：系留氣球；壓力調節系統；建模；傳遞函數

0 引 言
系留氣球作為一種浮空平臺，其基本工作原理是利用氣球囊體內的填充氣體在空氣中產生的浮力搭載有效載荷，并通過系留纜繩的拖曳實現在空中的長時間駐留，其在通信、公共安全、地質勘探、軍事用途和商業活動等多種場合有著廣闊的應用前景。系留氣球系統是一項復雜的系統工程，涉及到氣動、通訊、計算機、傳感器、材料和有效載荷等多個學科。
壓力調節系統是系留氣球系統中一個重要的分系統，它的主要功能是根據氣球系統的不同工作模式和外部條件，通過控制各個囊室充氣的風機和放氣的閥門來調節各部分的內外壓力差，使氣球保持既定的氣動外形，以期達到平穩帶載浮空的目的。壓力調節系統的正常運行是系留氣球平穩浮空的前提和保障，執行器(主要包括風機、閥門、撕裂幅等)的錯誤動作有可能致使氣球因外形變化而導致姿態失衡，以及因內外壓差過大而導致氣球囊體爆裂，甚至球皮被錯誤撕裂等嚴重故障，這對于整個氣球任務系統而言都是致命的。因此在進行壓力調節系統的軟、硬件設計時，既需要嚴格保證各執行機構在既定模式下動作的準確性和有效性，又需要最大限度地提高自身運行的可靠性。

壓力調節系統在上述工作模式時，對各個執行機構所需的控制輸入項和控制準則不盡相同，而且還要考慮到針對各執行機構的控制，氣動總體設計師可能在系統設計初期無法給出完整而準確的輸入條件，從而帶來調試過程中的種種改動，所以必須對系留氣球壓力調節系統進行建模分析，以期找到一種安全、有效、可靠且可擴充的控制策略，否則難以保證系統設計能完全滿足要求。
建模時，首先要把壓力調節系統中所有工作模式Mi下所有可能影響執行機構動作的輸入條件D歸類，并將輸入條件類之間的關系解耦合，把輸入條件類之間變得相互獨立。此時，對于任意的輸入條件類Di和Dj從概率學角度描述應該滿足：

然后將同一類的輸入條件Di全部分解為若干個互斥的Di1，Di2，…，Dik，且為遍歷分解，即把每個類的各種情況都歸納到此條件中，此時從概率學角度描述應該滿足：

至此把可能影響執行機構動作的所有輸入條件D全部分解為“類間獨立，類內互斥”的子條件Dik，為控制傳遞函數的建立，創造了可使用的輸入變量。
針對任何一個執行機構Q(k)，如果決定其動作的輸入條件有D1，D2，…，Dm，則對于不同的工作模式Mi，其傳遞函數總可以表示為：

式中：Mi代表控制模式中的第i種，當系統工作在第i種工作模式時，對應的Mi為TRUE，否則為FALSE；代表對應輸入條件的邏輯最小乘積項。