CN105302003B - 一种用于飞行器气压模拟的伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于飞行器气压模拟的伺服控制系统，包括正压源，负压源，以及依次相连的压力传感器，控制器以及伺服阀，所述伺服阀包括第一伺服阀与第二伺服阀，所述第一伺服阀以及第二伺服阀分别用于将所述正压源以及所述负压源向气压模拟腔连通，从而改变所述气压模拟腔的模拟气压P，所述压力传感器用于检测模拟气压P并传送给所述控制器，所述控制器用于根据指令信号I控制伺服阀的开口量，从而改变所述模拟气压P升高或者降低的速率。通过本发明，利用多个控制阀代替实现单个控制阀充、抽气的关联调节，补偿被控容腔充抽气热力学过程的差异，避免了阀的错误动作对压力控制的影响，使被控容腔的压力变化更加平稳。

Description

一种用于飞行器气压模拟的伺服控制系统

技术领域

本发明属于高空飞行器气压模拟领域，更具体地，涉及一种用于飞行器气压模拟的伺服控制系统。

背景技术

空间飞行器在大气环境飞行中，将直接受到空间气压环境的影响，比如飞机在高空的时候，周围环境气压是负压，但是机头迎着速度的方向则承受正压。采用气压伺服控制技术设计飞行器半实物仿真系统的气压模拟设备，通过空间飞行器飞行高度半实物仿真，将真实飞行气压环境引入飞行器研制过程中，可以有效缩短研制周期、降低研制成本，消除产品隐患，确保飞行稳定控制。

以气动比例/伺服控制阀为核心组成的气动比例/伺服控制系统可以实现压力、流量连续变化的高精度控制，气动伺服系统具有速度快、成本低、精度高等特点，在很多场合得到应用。

但现有技术中的气压模拟的伺服控制系统采用单个控制阀同时连接正负压源和正压源，从而实现对气压模拟腔充、抽气的关联调节。一方向单控制阀控制两个气源，其响应速度较慢，另一方面控制阀在充抽气之间快速切换，容易产生压力冲击和振荡，从而误切换造成调节错误。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于飞行器气压模拟的伺服控制系统，其目的在于以双伺服阀分别实现充、抽气的调控，从而改进伺服控制系统的稳定性能。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于飞行器气压模拟的伺服控制系统，该伺服控制系统包括正压源，负压源，以及依次相连的压力传感器，控制器以及伺服阀，所述伺服阀包括第一伺服阀与第二伺服阀，所述第一伺服阀以及第二伺服阀分别用于将所述正压源以及所述负压源向气压模拟腔连通，从而改变所述气压模拟腔的模拟气压P，所述压力传感器用于检测气压模拟腔的模拟气压P并传送给所述控制器，所述控制器用于根据指令信号I控制所述第一伺服阀以及第二伺服阀的开口量，从而改变所述模拟气压P升高或者降低的速率。

优选地，所述伺服控制系统还包括气压模拟腔，所述伺服控制系统还包括气压模拟腔，所述气压模拟腔用于通过改变自身的模拟气压从而模拟飞行器的环境气压。

作为进一步优选地，所述气压模拟腔用于模拟负压环境气压，所述模拟气压P的变化范围为1.17kPa～101kPa，所述负压源的气压为0.5Pa～50Pa，所述正压源为大气。

作为进一步优选地，所述气压模拟腔用于模拟正压环境气压，所述模拟气压P的变化范围为101kPa～110kPa，所述正压源的气压为160kPa～200kPa，所述负压源为大气。

优选地，该伺服控制系统还包括D/A转换器以及A/D转换器，所述D/A转换器连接于所述控制器与所述伺服阀之间，用于将所述控制器输出的数字信号转换为模拟信号，所述A/D转换器连接于所述压力传感器与所述控制器之间，用于将所述压力传感器输出的模拟信号转换为数字信号。

本发明还公开了利用该伺服控制系统进行气压模拟的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.压力传感器检测气压模拟腔的模拟气压P并传送给控制器；

S2.控制器收到指令信号I后，根据与模拟气压P的对比结果从而控制伺服阀的开关状态；

当I-ε<P<I+ε时，保持第一伺服阀与第二伺服阀都处于关闭状态，其中，ε为系统允许的压力误差，返回S1；否则进入S3；

S3.当P<I时，保持第二伺服阀处于关闭状态，将(I-P)/I设定为第一伺服阀的开口量，否则保持第一伺服阀处于关闭状态，将(P-I)/P设定为第二伺服阀的开口量，返回S1。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于利用多个伺服阀代替单个伺服阀实现充、抽气的关联调节，能够取得下列有益效果：

1、以双伺服阀分别调节充气速率和抽气速率，避免了单伺服阀在充气与抽气快速切换时造成的调节错误；

2、以双伺服阀取代单伺服阀，系统容错性更高，响应更快；

3、通过充、抽气独立控制可避免模拟气压快速变化对气压模拟腔的冲击和振荡，从而提高了伺服控制系统的控制稳定性，增加了系统控制自由度；

4、当由于气压快速变化而造成气压模拟腔的压力超过目标指令值时，双控制阀系统由于其快速响应特性，可以通过反作用使得气压模拟腔的压力更加迅速的回到目标压力值。

附图说明

图1为本发明气压伺服控制系统结构示意图；

图2为本发明实施例1气压伺服控制系统结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：11-高精度压力传感器，12-电-气比例/伺服阀，13-负压源，14-正压源，1、2、3、4、5-电-气比例/伺服阀的气口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种用于飞行器气压模拟的伺服控制系统，提供了一种用于飞行器气压模拟的伺服控制系统，该伺服控制系统包括正压源，负压源，以及依次相连的压力传感器，控制器以及伺服阀，所述伺服阀包括第一伺服阀与第二伺服阀，所述第一伺服阀以及第二伺服阀分别用于将所述正压源以及所述负压源向气压模拟腔连通，从而改变所述气压模拟腔的模拟气压P，所述压力传感器用于检测气压模拟腔的模拟气压并传送给所述控制器，所述控制器用于根据指令信号控制所述第一伺服阀以及第二伺服阀的开口量，从而改变所述模拟气压P升高或者降低的速率，如图1所示。通常伺服阀都有多个通气口，除了与正压源、负压源以及气压模拟腔相连接的通气口，其它通气口可进行封闭，以免通气口错误切换而造成的系统不稳定。

所述气压模拟腔用于通过改变模拟气压P在1.17kPa～110kPa之间从而模拟飞行器的环境气压。用定压为0.5Pa～50kPa的负压源，用环境空气作为正压源，可用于模拟变化范围为1.17kPa～101kPa的高空环境负压；用定压为160kPa～200kPa的正压源，用环境空气作为负压源，可用于模拟变化范围为160kPa～200kPa的机头环境正压。以大气环境配合负压源或正压源进行模拟气压的好处可以减少能量的消耗；当然，为了加快气压控制，也可以用0.5Pa～50kPa的负压源和160kPa～200kPa的正压源配合进行伺服控制。

其中，所述控制器与所述伺服阀之间，还可以连接D/A转换器，用于将所述控制器输出的数字信号转换为模拟信号；所述压力传感器与所述控制器之间，还可以连接A/D转换器，用于将所述压力传感器输出的模拟信号转换为数字信号。

利用该伺服控制系统进行气压模拟的具体过程如下：

S1.压力传感器检测气压模拟腔的模拟气压P并传送给控制器；

S2.控制器收到指令信号I后，根据与模拟气压P的对比结果从而控制伺服阀的开关状态；

当I-ε<P<I+ε时，保持第一伺服阀与第二伺服阀都处于关闭状态，其中，ε为系统允许的压力误差，返回S1；否则进入S3；

S3.当P<I时，保持第二伺服阀处于关闭状态，将(I-P)/I设定为第一伺服阀的开口量，否则保持第一伺服阀处于关闭状态，将(P-I)/P设定为第二伺服阀的开口量，返回S1。

从上述过程可以看出，当指令信号与模拟气压的差值过大时，开口量也会较大，这时候容易造成过度充气或过度抽气使得气压的变化超过原本的设定值，从而需要在充气和抽气之间进行转换。在传统的服控制系统中，伺服阀会在不同工作位进行切换，这种迅速切换造成的负压和正压的冲击容易对伺服阀的工作位产生振荡从而造成调节错误，而通过双伺服阀分别实现充、抽气的调控，则能使系统更加稳定，响应速度更快。

实施例1

该伺服控制系统包含了正压源14，负压源13，被控容腔，高精度压力传感器11，两路电-气比例/伺服阀12，数字控制器、D/A转换器以及A/D转换器，所述数字控制器通过D/A转换器与电-气比例/伺服阀12相连，用于控制电-气比例/伺服阀13的开关状态，所述正压源14以及所述负压源13分别通过两路电-气比例/伺服阀12与被控容腔相连，使得被控容腔的气压升高或降低，所述被控容腔与所述数字控制器之间依次连接有高精度压力传感器11以及A/D转换器，所述高精度压力传感器11用于探测被控容腔的气压P并传送给所述控制器，所述A/D转换器用于将所述高精度压力传感器11输出的模拟信号转换为数字信号。

由于该伺服控制系统中的电-气比例/伺服阀具有5个气口，除了与负压源，正压源和被控容腔连接的气口，其它气口都进行了封闭，以免气压对伺服阀产生冲击后切换错误

气压控制的过程实质为封闭容器的充放气过程，调节容腔内空气总量，从而调节容腔内的气压。数字控制器对输入指令信号I与传感器反馈压力值P的比较，根据误差按设定的控制规律通过电气伺服装置来控制回路中气体的流向及流量，从而控制进出封闭容腔的气量，间接控制容腔内的气体压力值，并输出给外部传感器作为控制输出信号，如图2所示。在控制过程中当实际压力值低于目标压力值时，回路通过电气伺服装置接通正压源，对容腔充气，使得容腔内气压升高；反之，接通负压源对容腔抽气，降低容腔气压。最终，容腔气压达到指令信号设定的目标压力值，该控制系统工作的具体过程为：

(1)当数字控制器得到的指令信号I与传感器反馈信号P之差为正值，即I－P<0时；为使容腔内气体压力达到目标值，则控制正压源的电-气伺服阀动作，伺服阀使得正压源与被腔容腔相通，正压源对被控容腔充气，被控容腔内气体压力上升，且上升后的压力值与指令值控制在许可范围内，即I－ε<P<I+ε(ε值视伺服控制系统的误差要求所设定)。若伺服阀有误动作或者由于压力冲击和振荡导致该伺服阀左位接通，由于气口3、4、5有气堵头封住，故不会影响被控容腔的压力；同时控制负压源的电-气伺服阀处于非工作状态，不会影响容腔充气过程。

(2)当控制器得到的指令信号与传感器反馈信号之差为负值，即I－P>0时；为使容腔内气体压力达到目标值，则控制负压源的电-气伺服阀动作，伺服阀使得负压源与被腔容腔相通，即口3和口2接通，负压源对被控容腔抽气，被控容腔内气体压力下降，且下降后的压力值与指令值控制在许可范围内，即I－ε<P<I+ε(ε值视伺服控制系统的误差要求所设定)。若伺服阀有误动作或者由于压力冲击和振荡导致该伺服阀右位接通，由于气口1、4、5有气堵头封住，故不会影响被控容腔的压力。同时控制正压源的电-气伺服阀处于非工作状态，不会影响容腔抽气过程。

(3)在步骤(1)和在步骤(2)的控制过程中，压力的上升和下降过程均是在要求范围内；若由于过控制，即充气太快导致压力上升超过指令值太多(或抽气太快导致压力下降超过指令值太多)即|P－I|>ε，此时则需要另一路伺服阀配合控制以减小这种过控制造成的压力波动。其具体实现为：a.当控制器得到的指令信号与传感器反馈信号之差(指令值减反馈值)为正值，为使容腔内气体压力达到目标值，则控制正压源的电-气伺服阀动作，伺服阀右位接通(如图2所示)，即口1和口2接通，正压源对被控容腔充气，被控容腔内气体压力上升，但是由于过控制，压力上升后超过指令值太多，则控制负压源的电-气伺服阀配合动作，即口3和口2接通，对容腔抽气以抵消充气动作的过控制造成的结果。b.当控制器得到的指令信号与传感器反馈信号之差(指令值减反馈值)为负值，为使容腔内气体压力达到目标值，则控制负压源的电-气伺服阀动作，伺服阀左位接通(如图2所示)，即口3和口2接通，负压源对被控容腔抽气，被控容腔内气体压力下降，但是由于过控制，压力下降后低于指令值太多，则控制正压源的电-气伺服阀配合动作，即口1和口2接通，对容腔充气以抵消抽气动作的过控制造成的结果。

该控制反馈由于通过双控制阀进行，因此响应速度快，且不会由于控制阀的快速切换而造成误操作。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于飞行器气压模拟的伺服控制系统，包括正压源，负压源，以及依次相连的压力传感器，控制器以及伺服阀，所述伺服阀包括第一伺服阀与第二伺服阀，所述第一伺服阀以及第二伺服阀分别用于将所述正压源以及所述负压源向气压模拟腔连通，从而改变所述气压模拟腔的模拟气压P，所述压力传感器用于检测气压模拟腔的模拟气压P并传送给所述控制器，其特征在于，所述控制器用于根据指令信号I控制所述第一伺服阀以及第二伺服阀的开口量，从而改变所述模拟气压P升高或者降低的速率。

2.如权利要求1所述的伺服控制系统，其特征在于，所述伺服控制系统还包括气压模拟腔，所述气压模拟腔用于通过改变自身的模拟气压从而模拟飞行器的环境气压。

3.如权利要求2所述的伺服控制系统，其特征在于，所述气压模拟腔用于模拟负压环境气压，所述模拟气压P的变化范围为1.17kPa～101kPa，所述负压源的气压为0.5Pa～50Pa，所述正压源为大气。

4.如权利要求2所述的伺服控制系统，其特征在于，所述气压模拟腔用于模拟正压环境气压，所述模拟气压P的变化范围为101kPa～110kPa，所述正压源的气压为160kPa～200kPa，所述负压源为大气。

5.如权利要求1所述的伺服控制系统，其特征在于，所述伺服控制系统还包括D/A转换器以及A/D转换器，所述D/A转换器连接于所述控制器与所述伺服阀之间，用于将所述控制器输出的数字信号转换为模拟信号，所述A/D转换器连接于所述压力传感器与所述控制器之间，用于将所述压力传感器输出的模拟信号转换为数字信号。

6.利用如权利要求1-5中任意一项所述伺服控制系统进行气压模拟的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.压力传感器检测气压模拟腔的模拟气压P并传送给控制器；

S2.控制器收到指令信号I后，根据与模拟气压P的对比结果从而控制伺服阀的开关状态；

当I-ε<P<I+ε时，保持第一伺服阀与第二伺服阀都处于关闭状态，其中，ε为系统允许的压力误差，返回S1；否则进入S3；

S3.当P<I时，保持第二伺服阀处于关闭状态，将(I-P)/I设定为第一伺服阀的开口量，否则保持第一伺服阀处于关闭状态，将(P-I)/P设定为第二伺服阀的开口量，返回S1。