CN111025936A - 一种温度气压模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气压控制与仿真技术领域，特别涉及一种温度气压模拟系统，包括：控制计算机、控制电路单元及压力发生单元。控制计算机通过外部通讯接口接收外部传输的数据指令，自动分析及处理数据指令后，发出第一控制指令给控制电路单元。控制电路单元，接收第一控制指令后，通过内部模拟量电压输出功能输出模拟温度电压信号，以及发出第二控制指令给压力发生单元。压力发生单元获取第二控制指令后，产生并输出所需要的模拟气压信号。本发明提供的温度气压模拟系统能够模拟出高精度、高动态的气压信号和高精度的模拟温度电压信号，为大气传感器的仿真实验提供了重要支撑。

Description

一种温度气压模拟系统

技术领域

本发明涉及气压控制与仿真技术领域，特别涉及一种温度气压模拟系统。

背景技术

大气传感系统通过对大气环境中总压压力、静压压力和温度的测量获得空间飞行器飞行高度、升降速度、空速等飞行参数，大气传感系统是保障空间飞行器在空中飞行的关键设备。通过空间飞行器大气传感系统半实物仿真，将真实飞行大气环境引入大气传感系统研制过程中，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。

大气传感系统半实物仿真实验中，相关研究较少。真实的飞行大气环境中，随着速度的变化和高度的变化，大气气压和温度的变化速率也会变大，目前大气传感系统半实物仿真实验过程中难以模拟出高精度、高动态的气压信号和高精度的模拟温度电压信号。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的目前大气传感系统半实物仿真实验过程中难以模拟出高精度、高动态的气压信号和高精度的模拟温度电压信号的技术问题，提供了一种温度气压模拟系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种温度气压模拟系统，包括：

控制计算机，通过外部通讯接口接收外部传输的数据指令，自动分析及处理所述数据指令后，发出第一控制指令给控制电路单元；

控制电路单元，接收所述第一控制指令后，通过内部模拟量电压输出功能输出模拟温度电压信号，以及发出第二控制指令给压力发生单元；

压力发生单元，获取所述第二控制指令后，产生并输出所需要的模拟气压信号。

其优选方案中，所述电路控制单元包括：

模拟温度电压输出模块，从所述控制计算机获取第一控制指令，输出模拟电压信号；

模拟量输出模块，从所述控制计算机获取第一控制指令，向压力发生单元发送第二控制指令；

模拟量信号采集模块，从所述压力发生单元获取模拟气压反馈信号，将所述模拟气压反馈信号发送至所述控制计算机。

其优选方案中，所述压力发生单元包括：正压源、负压源、第一伺服阀、第一容腔、第一传感器、第二伺服阀、第二容腔及第二传感器；

所述模拟量输出模块与所述第一伺服阀和第二伺服阀电性连接；

所述正压源通过所述第一伺服阀与所述第一容腔连接，所述负压源通过所述第一伺服阀与所述第一容腔连接；

所述第一传感器与所述第一容腔连接，所述第一传感器与所述模拟量信号采集模块电性连接；

所述第一容腔通过所述第二伺服阀与所述第二容腔连接，所述负压源通过所述第二伺服阀与所述第二容腔连接；

所述第二传感器与所述第二容腔连接，所述第二传感器与所述模拟量信号采集模块电性连接。

其优选方案中，所述压力发生单元并联设置有三个，其中一个压力发生单元用于输出一路静压通道模拟信号，两个压力发生单元分别输出一路总压通道模拟信号。

其优选方案中，静压通道模拟的气压高度为-500m～24Km，气压模拟高度变化时的最大垂速均≥±600m/s。

其优选方案中，静压通道压力模拟范围为3KPa～130KPa；

静压通道的静态压力特性为：当压力范围为3KPa～20KPa时，误差小于0.05KPa；当压力范围为20KPa～130KPa时，误差小于0.063KPa；

静压通道的动态压力特性为：气压值P＝Asin(2πft)；其中，A＝0～600Pa；f＝0～2Hz，t为变化的时间。

其优选方案中，总压通道压力模拟范围为15KPa～200KPa；

总压通道的静态压力特性为：当压力范围为15KPa～200KPa时，误差小于0.185KPa；

总压通道的动态压力特性为：气压值P＝Asin(2πft)；其中，A＝0～5KPa；f＝0～2Hz，t为变化的时间。

本发明提供的温度气压模拟系统至少具备以下有益效果或优点：

本发明提供的温度气压模拟系统，控制计算机通过外部通讯接口接收外部传输的数据指令，自动分析及处理数据指令后，发出第一控制指令给控制电路单元；控制电路单元接收第一控制指令后，通过内部模拟量电压输出功能输出模拟温度电压信号，以及发出第二控制指令给压力发生单元；压力发生单元获取第二控制指令后，产生并输出所需要的模拟气压信号。本发明提供的温度气压模拟系统能够模拟出高精度、高动态的气压信号和高精度的模拟温度电压信号，为大气传感器的仿真实验提供了重要支撑。

附图说明

图1为本发明实施例提供的系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的控制电路单元结构示意图；

图3为本发明实施例提供的压力发生单元结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-控制计算机，3-控制电路单元，4-压力发生单元，5-负压源，7-正压源，8-模拟温度电压输出模块，9-模拟量输出模块，10-数字量输出模块，11-模拟量信号采集模块，12-初级伺服回路，13-次级伺服回路，14-第一传感器，15-第一容腔，16-第一伺服阀，17-第二传感器，18-第二容腔，19-第二伺服阀。

具体实施方式

本发明针对现有技术中存在的目前大气传感系统半实物仿真实验过程中难以模拟出高精度、高动态的气压信号和高精度的模拟温度电压信号的技术问题，提供了一种温度气压模拟系统。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-图3，本发明实施例提供了一种温度气压模拟系统，包括：

控制计算机1，通过外部通讯接口接收外部传输的数据指令，自动分析及处理数据指令后，发出第一控制指令给控制电路单元3。

控制电路单元3，接收第一控制指令后，通过内部模拟量电压输出功能输出模拟温度电压信号，以及发出第二控制指令给压力发生单元4。

压力发生单元4，获取第二控制指令后，产生并输出所需要的模拟气压信号。

其中：

电路控制单元包括：模拟温度电压输出模块8、模拟量输出模块9、数字量输出模10及模拟量信号采集模块11。模拟温度电压输出模块8从控制计算机1获取第一控制指令，输出模拟电压信号。模拟量输出模块9从控制计算机1获取第一控制指令，向压力发生单元4发送第二控制指令。模拟量信号采集模块11，从压力发生单元4获取模拟气压反馈信号，将模拟气压反馈信号发送至控制计算机1。数字量输出模10用于输出开关信号用于相关开关的通断。

压力发生单元4包括：正压源7、负压源5、第一伺服阀16、第一容腔15、第一传感器14、第二伺服阀19、第二容腔18及第二传感器17。模拟量输出模块9与第一伺服阀16和第二伺服阀19电性连接；正压源7通过所述第一伺服阀16与第一容腔15连接，负压源5通过第一伺服阀16与第一容腔15连接。第一传感器14与第一容腔15连接，第一传感器14与模拟量信号采集模块11电性连接。第一容腔15通过第二伺服阀19与第二容腔18连接，负压源5通过第二伺服阀19与第二容腔18连接。第二传感器17与第二容腔18连接，第二传感器17与模拟量信号采集模块11电性连接。其中，容腔容积起到两方面作用：一方面是可平滑气压信号，消除气压波动；另一方面则是调节气压控制系统的频宽。容腔容积越大，则平滑作用越好，但是系统响应的动态频宽越窄，动态特性越差，为达到合适的动态性能和稳态性能，需通过调试合理选择容腔容积。

参见图1-图3，压力发生单元4由双级伺服回路构成，包括有初级伺服回路12(包括第一伺服阀16、第一容腔15及第一传感器14)和次级伺服回路13(包括第二伺服阀19、第二容腔18及第二传感器17)；初级伺服回路12对气压进行粗控制，将控制后的的气压作为次级伺服回路13的正压源7，以此提高次级伺服回路13气压信号的精度、稳定性和动态性。控制原理为：控制电路单元3的模拟量输出模块9向第一伺服阀16发出第二控制指令，控制第一伺服阀16的开口开度和开口方向，以此通过改变正压源7对第一容腔15充气速率和负压源5对第一容腔15的抽气速率从而调节第一容腔15内部气压；第一容腔15内部气压通过第一传感器14进行实时测量，测量的压力信号发送给控制电路单元3的模拟量信号采集模块11，通过模拟量信号采集模块11传输至控制计算机1，以此构成一个闭环控制系统。由现有控制理论可知，对第一容腔15可以进行有效的压力控制。控制电路单元3的模拟量输出模块9向第二伺服阀19发送另一第二控制信号，控制第二伺服阀19的开口开度和开口方向，以此通过改变第一容腔15对第二容腔18充气速率和负压源5对第二容腔18的抽气速率改变第二容腔18内部气压，第二容腔18内部气压通过有第二传感器17进行实时测量，测量的压力信号发送给控制电路单元3的模拟量信号采集模块11，通过模拟量信号采集模块11传输至控制计算机1，以此构成一个闭环控制系统，由现有控制理论可知，对第二容腔18可以进行有效的压力控制。压力发生单元4最终输出的气压信号为第二容腔18的气压信号，通过以上双级伺服回路的设计，可以有效提高第二容腔18气压信号的精度、稳定性和动态性。

本发明实施例中，压力发生单元4并联设置有三个，其中一个压力发生单元4用于输出一路静压通道模拟信号，两个压力发生单元4分别输出一路总压通道模拟信号。本发明实施例中的三个气压通道的控制算法结构一致，但具体参数并不相同。本发明实施例中气压控制系统模型为强非线性系统，针对气压发生回路中的非线性环节，采取反馈线性化方法进行补偿校正，将其转化为基本线性的系统，在此基础上采用常规、标准的控制器算法实现压力伺服控制。此外，为使实现气压信号的高精度输出，消除模型不确定性对精度的影响，本发明实施例的控制算法中还引入了一个积分环节。本发明实施例中的三个气压输出通道的物理环境并不完全一致，且总压通道与静压通道的压力范围和动态性能也不相同，所以对每个气压输出通道的压力发生单元4对应的控制参数也不一样，具体参数主要通过前期仿真和实际调试确定。

本发明实施例中：

静压通道模拟的气压高度为-500m～24Km，气压模拟高度变化时的最大垂速均≥±600m/s。静压通道压力模拟范围为3KPa～130KPa。

静压通道的静态压力特性为：当压力范围为3KPa～20KPa时，误差小于0.05KPa；当压力范围为20KPa～130KPa时，误差小于0.063KPa。

静压通道的动态压力特性为：气压值P＝Asin(2πft)；其中，A＝0～600Pa；f＝0～2Hz，t为变化的时间。例如，当12kPa＜P≤130kPa且0＜A≤600Pa时，当5.53kPa＜P≤12kPa且0＜A≤130Pa时，当3.4kPa≤P≤5.53kPa且0＜A≤40Pa时，均满足幅频误差△A/A≤5％，相频误差△ψ≤5°。

总压通道压力模拟范围为5KPa～200KPa。

总压通道的静态压力特性为：当压力范围为15KPa～20KPa时，误差小于0.185KPa；当压力范围为20KPa～200KPa时，误差小于0.263KPa。

总压通道的动态压力特性为：气压值P＝Asin(2πft)；其中，A＝0～5KPa；f＝0～2Hz，t为变化的时间。例如，当50kPa＜P≤200kPa且0＜A≤5kPa时、当30kPa＜P≤50kPa且0＜A≤2kPa时、当15kPa≤P≤30kPa0且0＜A≤0.7kPa时，均满足幅频误差△A/A≤10％，相频误差△ψ≤10°。

本发明实施例提供的温度气压模拟系统至少具备以下有益效果或优点：

本发明实施例提供的温度气压模拟系统，控制计算机通过外部通讯接口接收外部传输的数据指令，自动分析及处理数据指令后，发出第一控制指令给控制电路单元；控制电路单元接收第一控制指令后，通过内部模拟量电压输出功能输出模拟温度电压信号，以及发出第二控制指令给压力发生单元；压力发生单元获取第二控制指令后，产生并输出所需要的模拟气压信号。本发明实施例提供的温度气压模拟系统能够模拟出高精度、高动态的气压信号和高精度的模拟温度电压信号，为大气传感器的仿真实验提供了重要支撑。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种温度气压模拟系统，其特征在于，包括：

控制计算机，通过外部通讯接口接收外部传输的数据指令，自动分析及处理所述数据指令后，发出第一控制指令给控制电路单元；

控制电路单元，接收所述第一控制指令后，通过内部模拟量电压输出功能输出模拟温度电压信号，以及发出第二控制指令给压力发生单元；

压力发生单元，获取所述第二控制指令后，产生并输出所需要的模拟气压信号。

2.根据权利要求1所述的温度气压模拟信号，其特征在于，所述电路控制单元包括：

模拟温度电压输出模块，从所述控制计算机获取第一控制指令，输出模拟电压信号；

模拟量输出模块，从所述控制计算机获取第一控制指令，向压力发生单元发送第二控制指令；

模拟量信号采集模块，从所述压力发生单元获取模拟气压反馈信号，将所述模拟气压反馈信号发送至所述控制计算机。

3.根据权利要求2所述的温度气压模拟系统，其特征在于，所述压力发生单元包括：正压源、负压源、第一伺服阀、第一容腔、第一传感器、第二伺服阀、第二容腔及第二传感器；

所述模拟量输出模块与所述第一伺服阀和第二伺服阀电性连接；

所述正压源通过所述第一伺服阀与所述第一容腔连接，所述负压源通过所述第一伺服阀与所述第一容腔连接；

所述第一传感器与所述第一容腔连接，所述第一传感器与所述模拟量信号采集模块电性连接；

所述第一容腔通过所述第二伺服阀与所述第二容腔连接，所述负压源通过所述第二伺服阀与所述第二容腔连接；

所述第二传感器与所述第二容腔连接，所述第二传感器与所述模拟量信号采集模块电性连接。

4.根据权利要求1～3任一项所述的温度气压模拟系统，其特征在于，所述压力发生单元并联设置有三个，其中一个压力发生单元用于输出一路静压通道模拟信号，两个压力发生单元分别输出一路总压通道模拟信号。

5.根据权利要求4所述的温度气压模拟系统，其特征在于，静压通道模拟的气压高度为-500m～24Km，气压模拟高度变化时的最大垂速均≥±600m/s。

6.根据权利要求4所述的温度气压模拟系统，其特征在于，静压通道压力模拟范围为3KPa～130KPa；

静压通道的静态压力特性为：当压力范围为3KPa～20KPa时，误差小于0.05KPa；当压力范围为20KPa～130KPa时，误差小于0.063KPa；

静压通道的动态压力特性为：气压值P＝Asin(2πft)；其中，A＝0～600Pa；f＝0～2Hz，t为变化的时间。

7.根据权利要求4所述的温度气压模拟系统，其特征在于，总压通道压力模拟范围为15KPa～200KPa；

总压通道的静态压力特性为：当压力范围为15KPa～200KPa时，误差小于0.185KPa；

总压通道的动态压力特性为：气压值P＝Asin(2πft)；其中，A＝0～5KPa；f＝0～2Hz，t为变化的时间。

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