CN105302173B - 一种用于高空飞行器的气压伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高空飞行器的气压伺服控制系统，包括正压源，被控容腔，控制阀等部件，前级控制阀的排气口连接前级容腔，负压进气口连接前级负压源，正压进气口连接正压源，后级控制阀的气压输出口连接后级容腔，负压进气口连接后级负压源，正压进气口连接前级容腔，压力传感器用于检测所述前级容腔以及所述后级容腔的气压，并输送给控制器，控制器用于根据被控容腔的气压，对控制阀进行调控，从而对被控容腔中气压的控制。通过本发明，将被控容腔划分为前级和后级，分别进行控制，与单级容腔相比，压力的变化更加稳定，从而减少了控制阀误切换的可能性。

Description

一种用于高空飞行器的气压伺服控制系统

技术领域

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

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。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。

气压模拟系统实际上是气动伺服控制技术的具体应用。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。

现有技术中的气动伺服系统采用单级容腔系统，在低压力区间，真空泵等负压源的抽气特性呈强非线性变化，即容腔内压力在小于10KPa的区间范围内，气压伺服系统在进行负压控制时响应速度变慢，再加上控制阀本身也受到压力的非线性影响，从而导致控制不稳定。

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高空飞行器的气压伺服控制系统，其目的在于将被控容腔划分为两级，并分别进行控制调节。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，公开了一种用于高空飞行器的气压伺服控制系统，包括正压源，被控容腔，控制阀，正压源，负压源，压力传感器，控制器以及控制阀，所述被控容腔为前级容腔和后级容腔，所述压力传感器包括前级压力传感器以及后级压力传感器，所述负压源包括前级负压源以及后级负压源，所述控制阀包括前级控制阀以及后级控制阀，所述控制阀包括排气口、负压进气口以及正压进气口；

所述前级控制阀的排气口连接前级容腔，负压进气口连接前级负压源，正压进气口连接正压源，所述后级控制阀的气压输出口连接后级容腔，负压进气口连接后级负压源，正压进气口连接前级容腔；所述控制阀用于在排气口连通负压进气口，在排气口连通正压进气口以及关闭这三种状态进行切换，所述负压源和正压源分别用于在和被控容腔连通时降低和升高被控容腔的气压；

所述前级压力传感器以及所述后级压力传感器分别用于检测所述前级容腔以及所述后级容腔的气压，并输送给所述控制器，所述控制器用于根据所述前级容腔以及所述后级容腔的气压，对前级控制阀以及后级控制阀分别进行调控，从而实现对所述前级容腔以及所述后级容腔的气压的控制。

优选地，所述控制器与所述前级控制阀之间以及所述控制器与所述后级控制阀之间，连接有D/A转换器，所述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；所述前级压力传感器与所述控制器之间以及所述后级压力传感器与所述控制器之间，连接有A/D转换器，所述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。

优选地，所述前级容腔与所述后级容腔的体积比为1:3～3:1。

优选地，所述前级控制阀为第一前级控制阀以及第二前级控制阀，所述第一前级控制阀以及第二前级控制阀分别于所述前级负压源与所述正压源相连。

按照本发明的另一方面，提供了一种应用该控制系统进行气压伺服控制的方法，包括以下步骤：

S1.前级压力传感器以及后级压力传感器分别检测所述前级容腔的气压P₁以及所述后级容腔的气压P₂，并输送给控制器；

S2.所述控制器判断前级容腔的气压P₁以及所述后级容腔的气压P₂分别与前级指令气压I₁以及后级指令气压I₂的关系，并控制前级控制阀以及后级控制阀的开关从而对压力进行调控；

当P₁＞I₁，P₂＞I₂时，前级控制阀以及后级控制阀的气压输出口以及负压进气口连通，前级负压源以及后级负压源分别降低前级容腔和后级容腔的气压，直至P₁＝I₁，P₂＝I₂；

当P₁＞I₁，P₂＝I₂时，前级控制阀的气压输出口以及负压进气口连通，前级负压源降低前级容腔的气压，直至P₁＝I₁，P₂＝I₂；

当P₁＝I₁，P₂＞I₂时，后级控制阀的气压输出口以及负压进气口连通，后级负压源降低后级容腔的气压，直至P₁＝I₁，P₂＝I₂；

当P₁≤I₁，P₂＜I₂时，前级控制阀以及后级控制阀的气压输出口以及正压进气口连通，正压源以及前级容腔分别升高前级容腔和后级容腔的气压，直至P₂＝I₂，返回S1；

当P₁＜I₁，P₂＝I₂时，前级控制阀的气压输出口以及正压进气口连通，后级控制阀关闭，正压源升高前级容腔的气压，直至P₁＝I₁；

当P₁＞I₁，P₂＜I₂时，前级控制阀关闭，后级控制阀的气压输出口以及正压进气口连通，前级容腔升高后级容腔的气压，直至P₁＝I₁或P₂＝I₂，返回S1；

当P₁＜I₁，P₂＞I₂时，前级控制阀的气压输出口以及正压进气口连通，后级控制阀的气压输出口以及负压进气口连通，正压源升高前级容腔的气压，后级负压源降低后级容腔的气压，直至P₁＝I₁或P₂＝I₂，返回S1；

当P₁＝I₁，P₂＝I₂，控制结束。

优选地，I₁/I₂为1.1～1.5。

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，由于利用多个控制阀分别实现被控容腔前后级的抽气调节，能够取得下列有益效果：

1、将被控容腔划分为前级和后级，分别进行控制，与单级容腔相比，压力的变化更加稳定，从而减少了控制阀误切换的可能性；

2、将被控容腔划分为前级和后级，分别进行负压控制，降低了在低压力区间时负压控制的难度，使得反馈速度变快，实现了压力的高精度高响应实时控制；

3、前级容腔作为后级容腔的正压源，建立了前后容腔的气压关系，以消除后级容腔中的非线性影响，保证了整个控制系统气压的控制平衡。

附图说明

图1为本发明气压伺服控制系统示意图；

图2为实施例1气压伺服控制系统示意图；

图3为实施例1气压伺服控制系统结构图；

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-前级控制阀，12-后级控制阀，2-正压源，31-前级负压源，32-后级负压源，4-高精度压力传感器。

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高空飞行器的气压伺服控制系统，包括正压源，被控容腔，控制阀，正压源，负压源，压力传感器，控制器以及控制阀，所述被控容腔为前级容腔和后级容腔，所述压力传感器包括前级压力传感器以及后级压力传感器，所述负压源包括前级负压源以及后级负压源，所述控制阀包括前级控制阀以及后级控制阀，所述控制阀包括排气口、负压进气口以及正压进气口；所述前级控制阀的排气口连接前级容腔，负压进气口连接前级负压源，正压进气口连接正压源，所述后级控制阀的气压输出口连接后级容腔，负压进气口连接后级负压源，正压进气口连接前级容腔；所述控制阀用于在排气口连通负压进气口，在排气口连通正压进气口以及关闭这三种状态进行切换，所述负压源和正压源分别用于在和被控容腔连通时降低和升高被控容腔的气压；如图1所示。通常，控制阀存在多个气口，在实际使用时，需要将非工作气口堵塞，以免气压冲击引起的误切换。

所述前级压力传感器以及所述后级压力传感器分别用于检测所述前级容腔以及所述后级容腔的气压，并输送给所述控制器，所述控制器用于根据所述前级容腔以及所述后级容腔的气压，对前级控制阀以及后级控制阀分别进行调控，从而实现对所述前级容腔以及所述后级容腔的气压的控制；所述前级容腔与所述后级容腔的体积比为1:3～3:1，以保证整个气压伺服系统的气压控制均衡，其中，当前级容腔与所述后级容腔的体积大致相等时，效果最优。

所述控制器与所述前级控制阀之间以及所述控制器与所述后级控制阀之间，连接有D/A转换器，所述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；所述前级压力传感器与所述控制器之间以及所述后级压力传感器与所述控制器之间，连接有A/D转换器，所述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。

其中，所述前级控制阀还可以分为第一前级控制阀以及第二前级控制阀，所述第一前级控制阀以及第二前级控制阀分别于所述前级负压源与所述正压源相连，用两个电气比例阀分别对正压源和负压源进行控制，可以避免压力冲击对电压比例阀产生的冲击从而导致误切换。

应用该控制系统进行气压伺服控制的方法，包括以下步骤：

S1.前级压力传感器以及后级压力传感器分别检测所述前级容腔的气压P₁以及所述后级容腔的气压P₂，并输送给控制器；

S2.所述控制器判断前级容腔的气压P₁以及所述后级容腔的气压P₂分别与前级指令气压I₁以及后级指令气压I₂的关系，并控制前级控制阀以及后级控制阀的开关从而对压力进行调控；

当P₁＞I₁，P₂＞I₂时，前级控制阀以及后级控制阀的气压输出口以及负压进气口连通，前级负压源以及后级负压源分别降低前级容腔和后级容腔的气压，直至P₁＝I₁，P₂＝I₂；

当P₁＞I₁，P₂＝I₂时，前级控制阀的气压输出口以及负压进气口连通，前级负压源降低前级容腔的气压，直至P₁＝I₁，P₂＝I₂；

当P₁＝I₁，P₂＞I₂时，后级控制阀的气压输出口以及负压进气口连通，后级负压源降低后级容腔的气压，直至P₁＝I₁，P₂＝I₂；

当P₁≤I₁，P₂＜I₂时，前级控制阀以及后级控制阀的气压输出口以及正压进气口连通，正压源以及前级容腔分别升高前级容腔和后级容腔的气压，直至P₂＝I₂，返回S1；

当P₁＜I₁，P₂＝I₂时，前级控制阀的气压输出口以及正压进气口连通，后级控制阀关闭，正压源升高前级容腔的气压，直至P₁＝I₁；

当P₁＞I₁，P₂＜I₂时，前级控制阀关闭，后级控制阀的气压输出口以及正压进气口连通，前级容腔升高后级容腔的气压，直至P₁＝I₁或P₂＝I₂，返回S1；

当P₁＜I₁，P₂＞I₂时，前级控制阀的气压输出口以及正压进气口连通，后级控制阀的气压输出口以及负压进气口连通，正压源升高前级容腔的气压，后级负压源降低后级容腔的气压，直至P₁＝I₁或P₂＝I₂，返回S1；

当P₁＝I₁，P₂＝I₂，控制结束。

在实际控制过程中，系统有一定的容错性，即如系统误差允许小于ε时，调控范围在I－ε≤P≤I+ε，即控制完成。

由于在该系统中，前级容腔相当于后级容腔的正压源，所以P₁/P₂≥1，在实际控制过程中，前级指令气压I₁以及后级指令气压I₂也满足一定的比例关系，通常I₁/I₂为1.1～1.5，控制器可以根据指令信号换算出前级指令气压I₁以及后级指令气压I₂，进而控制整个气压伺服系统的气压到达目标值。也可以单独根据前级指令气压I₁以及后级指令气压I₂分别对控制阀进行调控，仅利用前级容腔或仅利用后级容腔的气压实现气压模拟的功能。从以上控制过程可以看出，由于前级容腔仅与正压源相通，单独利用前级容腔时更适用于模拟正压环境(例如飞行器在飞行中机头受压的环境)；而单独利用后级容腔时更适用于模拟负压环境(例如飞行器在高空受到的负压环境)；两级容腔协同作用时，则可以保证气压的变化更为平稳均衡。

以下内容为实施例：

图2为按照本发明的一种用于高空飞行器的气压伺服控制系统，包含了正压源，两个负压源，被控容腔前级，被控容腔后级，两个高精度压力传感器，两个电-气比例/伺服阀，控制器、D/A转换器以及A/D转换器，数字控制器通过D/A转换器与两个电-气比例/伺服阀相连，用于控制电-气比例/伺服阀的开关状态，前级容腔和后级容腔与控制器之间依次连接有高精度压力传感器以及A/D转换器，所述高精度压力传感器用于探测被控容腔的气压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输出的模拟信号转换为数字信号，如图1所示。

其中，两个电-气比例/伺服阀分为前级控制阀11后级控制阀12，两个负压源分为前级负压源31后级负压源32。前级控制阀11的a口与前级容腔相连，b口与正压源2相连，c口与前级负压源31相连；后级控制阀12的a口与后级容腔相连，b口与前级容腔相连，c口与后级负压源32相连。由于电-气比例/伺服阀通常具有多个气口，如图3所示的伺服阀即存在5个气口，当除了存在a、b、c以外的气口时，需要将其它不使用的气口堵住，以免伺服阀产生误切换而影响系统功能。

电-气比例/伺服阀分为三种开关状态：⑴全关闭，⑵a口与b口相通，⑶a口与c口相通。当前级控制阀11的a口与b口相通时，正压源2向前级容腔输送气体，使前级容腔的气压升高，当前级控制阀11的a口与c口相通时，前级负压源31从前级容腔抽出气体，使前级容腔的气压降低。当后级控制阀12的a口与b口相通时，前级容腔向后级容腔输送气体，使后级容腔的气压升高，当后级控制阀12的a口与c口相通时，后级负压源32从后级容腔抽出气体，使后级容腔的气压降低，如图3所示。

数字控制器根据收到的指令信号以及设置的前级容腔与后级容腔的目标压力比(在本实施例的系统中为1.32)，转换为前级指令信号以及后级指令信号，即前级容腔以及后级容腔的目标压力I₁以及I₂，对前级容腔和后级容腔的压力P₁以及P₂进行调控，直至达到目标值。

该控制系统前级压力控制的具体过程为：

S1.当数字控制器得到的前级指令信号与前级传感器反馈信号之差(目标压力I₁减前级容腔压力P₁)为正值，为使容腔内气体压力达到目标值，则控制前级控制阀的a口和b口接通，正压源对前级容腔充气，前级容腔内气体压力上升；

S2.当数字控制器得到的前级指令信号与前级传感器反馈信号之差(目标压力I₁减前级容腔压力P₁)为负值，为使容腔内气体压力达到目标值，则控制前级控制阀的a口和c口接通，负压源对前级容腔抽气，前级容腔内气体压力下降。

后级压力控制的工作过程基本同前级压力控制过程类似，其具体过程为：

S1.当数字控制器得到的后级指令信号与后级传感器反馈信号之差(目标压力I₂减后级容腔压力P₂)为正值，则控制后级控制阀的a口和b口接通，前级容腔对后级容腔充气，后级容腔内气体压力上升；

S2.当数字控制器得到的后级指令信号与后级传感器反馈信号之差(目标压力I₂减后级容腔压力P₂)为负值，为使容腔内气体压力达到目标值，则控制后级控制阀的a口和c口接通，负压源对后级容腔抽气，后级容腔内气体压力下降。

前级压力控制以及后级压力控制的过程中，高精度压力传感器不断持续监测容腔中的压力值，使得控制器对控制策略进行调整，直至P₁＝I₁，P₂＝I₂，即容腔中的压力达到目标值，则控制结束。

最大的区别在于后级压力控制回路中的正压源是前级压力控制回路的气压输出信号，此种控制回路结构的设计有利于消除后级气压发生回路中的非线性因素对气压输出精度的影响，从而实现目标压力的高精度高响应控制。

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)

1.一种用于高空飞行器的气压伺服控制系统，其特征在于，包括正压源，被控容腔，控制阀，正压源，负压源，压力传感器，控制器以及控制阀，所述被控容腔为前级容腔和后级容腔，所述压力传感器包括前级压力传感器以及后级压力传感器，所述负压源包括前级负压源以及后级负压源，所述控制阀包括前级控制阀以及后级控制阀，所述控制阀包括排气口、负压进气口以及正压进气口；

所述前级控制阀的排气口连接前级容腔，负压进气口连接前级负压源，正压进气口连接正压源，所述后级控制阀的气压输出口连接后级容腔，负压进气口连接后级负压源，正压进气口连接前级容腔，所述前级压力传感器以及所述后级压力传感器分别用于检测所述前级容腔以及所述后级容腔的气压，并输送给所述控制器，所述控制器用于根据所述前级容腔以及所述后级容腔的气压，对前级控制阀以及后级控制阀分别进行调控，从而实现对所述前级容腔以及所述后级容腔的气压的控制。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制器与所述控制阀之间，连接有D/A转换器，所述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，连接有A/D转换器，所述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。

3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述前级容腔与所述后级容腔的体积比为1:3～3:1。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的控制系统，其特征在于，所述前级控制阀为第一前级控制阀以及第二前级控制阀，所述第一前级控制阀以及第二前级控制阀分别与所述前级负压源与所述正压源相连。

5.一种应用如权利要求1-4中任意一项所述控制系统进行气压伺服控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.压力传感器检测所述前级容腔的气压P₁以及所述后级容腔的气压P₂，并输送给控制器；

S2.判断前级容腔的气压P₁以及所述后级容腔的气压P₂分别与前级指令气压I₁以及后级指令气压I₂的关系；

当P₁＞I₁，P₂＞I₂时，控制阀的气压输出口以及负压进气口连通，前级负压源以及后级负压源分别降低前级容腔和后级容腔的气压，直至P₁＝I₁，P₂＝I₂；

当P₁＞I₁，P₂＝I₂时，前级控制阀的气压输出口以及负压进气口连通，前级负压源降低前级容腔的气压，直至P₁＝I₁，P₂＝I₂；

当P₁＝I₁，P₂＞I₂时，后级控制阀的气压输出口以及负压进气口连通，后级负压源降低后级容腔的气压，直至P₁＝I₁，P₂＝I₂；

当P₁≤I₁，P₂＜I₂时，前级控制阀以及后级控制阀的气压输出口以及正压进气口连通，正压源以及前级容腔分别升高前级容腔和后级容腔的气压，直至P₂＝I₂，返回S1；

当P₁＜I₁，P₂＝I₂时，前级控制阀的气压输出口以及正压进气口连通，后级控制阀关闭，正压源升高前级容腔的气压，直至P₁＝I₁；

当P₁＞I₁，P₂＜I₂时，前级控制阀关闭，后级控制阀的气压输出口以及正压进气口连通，前级容腔升高后级容腔的气压，直至P₁＝I₁或P₂＝I₂，返回S1；

当P₁＜I₁，P₂＞I₂时，前级控制阀的气压输出口以及正压进气口连通，后级控制阀的气压输出口以及负压进气口连通，正压源升高前级容腔的气压，后级负压源降低后级容腔的气压，直至P₁＝I₁或P₂＝I₂，返回S1；

当P₁＝I₁，P₂＝I₂，控制结束。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，I₁/I₂为1.1～1.5。