CN112525152A - 一种快速响应高精度气压高度模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速响应高精度气压高度模拟系统，包括：信息处理单元、取压盒、安装座、气压传感器及内部校准传感器、气密开关阀、电/气伺服装置、消音装置和真空泵；其中，所述取压盒与所述安装座相连接；所述气压传感器及内部校准传感器与安装座相连接；所述安装座与所述气密开关阀相连接；所述电/气伺服装置与所述气密开关阀相连接；所述电/气伺服装置与所述真空泵相连接；所述电/气伺服装置与消音装置相连接；所述信息处理单元与电/气伺服装置、真空泵、气压传感器及内部校准传感器相连接。本发明能够准确、实时地提供模拟压力变化环境，能够实时模拟气压高度曲线，并具有结构紧凑、操作方便和维护性好的优点。

Description

一种快速响应高精度气压高度模拟系统

技术领域

本发明属于地球大气内高速运动物体外部气压环境模拟技术领域，尤其涉及一种快速响应高精度气压高度模拟系统。

背景技术

高精度动态气压高度模拟系统是航天器再入返回过程仿真试验的必须设备，其提供的高精度快速响应气压模拟曲线是验证航天器返回着陆方案正确性，评估航天器系统返回着陆性能的关键输入条件之一。同时也可以作为气压高度敏感器测试和校准的设备。

现有的气压模拟设备通常是综合环境试验箱等大规模的试验设备或专用的大气模拟计算机。设备的功能非常强大但成本很高(百万量级)，使用维护较为复杂需要专业的计量机构才能完成，并且与被测设备接口固化，适应性较差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种快速响应高精度气压高度模拟系统，能够准确、实时地提供模拟压力变化环境，能够实时模拟气压高度曲线，并具有结构紧凑、操作方便和维护性好的优点。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种快速响应高精度气压高度模拟系统，包括：信息处理单元、取压盒、安装座、气压传感器及内部校准传感器、气密开关阀、电/气伺服装置、消音装置和真空泵；其中，所述取压盒与所述安装座相连接；所述气压传感器及内部校准传感器与安装座相连接；所述安装座与所述气密开关阀相连接；所述电/气伺服装置与所述气密开关阀相连接；所述电/气伺服装置与所述真空泵相连接；所述电/气伺服装置与消音装置相连接；所述信息处理单元与电/气伺服装置、真空泵、气压传感器及内部校准传感器相连接；气压传感器及内部校准传感器采集取压盒的气压值，并将气压值传输给所述信息处理单元；所述信息处理单元根据预设的高度值和时间转换为气压目标值和压力控制速度；所述信息处理单元根据气压值、气压目标值和压力控制速度得到电气控制指令，所述信息处理单元根据电气控制指令驱动电/气伺服装置来调节气路流向及电/气伺服装置的流量阀口开度，使得取压盒的气压值在预设的时间内达到气压目标值。

上述快速响应高精度气压高度模拟系统中，若气压值大于气压目标值，则所述信息处理单元使得电/气伺服装置的放气口关闭并驱动真空泵工作，真空泵开始抽取取压盒的空气，所述信息处理单元根据压力控制速度调节电/气伺服装置的流量阀口开度，使得在达到气压目标值时抽取取压盒的空气的时间等于预设的时间。

上述快速响应高精度气压高度模拟系统中，若气压值大于气压目标值，则所述信息处理单元使得电/气伺服装置的放气口打开，真空泵停止工作，取压盒的空气经过气密开关阀和电/气伺服装置排出，所述信息处理单元根据压力控制速度调节电/气伺服装置的流量阀口开度，使得在达到气压目标值时取压盒排出空气的时间等于预设的时间。

上述快速响应高精度气压高度模拟系统中，所述安装座包括安装基座、机械接口、安装底座和O型圈；其中，所述取压盒通过螺钉与所述安装基座相连接；安装基座与所述机械接口相连接；所述机械接口通过所述O型圈与所述安装底座相连接。

上述快速响应高精度气压高度模拟系统中，所述取压盒(1)的传递函数G(s)为：

其中,K_q为电/气伺服装置的流量系数；K_c为电/气伺服装置的泄漏系数；R为气体常数；M_mol为空气摩尔质量；V为取压盒(1)的容积，T为温度，s为变量。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明能够准确、实时地提供模拟压力变化环境；

(2)本发明能够实时模拟气压高度曲线；

(3)本发明具有结构紧凑、操作方便和维护性好的优点。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的快速响应高精度气压高度模拟系统的结构框图；

图2是本发明实施例提供的信息处理单元的结构框图；

图3是本发明实施例提供的安装座和取压盒的连接示意图；

图4是本发明实施例提供的安装座和取压盒的示意图；

图5是本发明实施例提供的气压伺服控制结构框图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的快速响应高精度气压高度模拟系统的结构框图。如图1所示，该快速响应高精度气压高度模拟系统包括：信息处理单元、取压盒1、安装座2、气压传感器及内部校准传感器3、气密开关阀4、电/气伺服装置5、消音装置6和真空泵7。其中，

取压盒1与安装座2相连接；气压传感器及内部校准传感器3与安装座2相连接；安装座2与气密开关阀4相连接；电/气伺服装置5与气密开关阀4相连接；电/气伺服装置5与真空泵7相连接；电/气伺服装置5与消音装置6相连接；信息处理单元与电/气伺服装置5、真空泵7、气压传感器及内部校准传感器3相连接。

气压传感器及内部校准传感器3采集取压盒1的气压值，并将气压值传输给信息处理单元；

信息处理单元根据预设的高度值和时间转换为气压目标值和压力控制速度；信息处理单元根据气压值、气压目标值和压力控制速度得到电气控制指令，信息处理单元根据电气控制指令驱动电/气伺服装置5来调节气路流向及电/气伺服装置5的流量阀口开度，使得取压盒1的气压值在预设的时间内达到气压目标值。

若气压值大于气压目标值，则信息处理单元使得电/气伺服装置5的放气口关闭并驱动真空泵7工作，真空泵7开始抽取取压盒1的空气，信息处理单元根据压力控制速度调节电/气伺服装置5的流量阀口开度，使得在达到气压目标值时抽取取压盒1的空气的时间等于预设的时间。

若气压值大于气压目标值，则信息处理单元使得电/气伺服装置5的放气口打开，真空泵7停止工作，取压盒1的空气经过气密开关阀4和电/气伺服装置5排出，信息处理单元根据压力控制速度调节电/气伺服装置5的流量阀口开度，使得在达到气压目标值时取压盒1排出空气的时间等于预设的时间。

如图3所示，安装座2包括安装基座21、机械接口22、安装底座23和O型圈24；其中，安装基座21通过螺钉与机械接口22相连接；机械接口22通过O型圈24与安装底座23相连接。

信息处理单元为工业控制计算机。气压高度模拟系统的输入方式包括本地控制和远程自动控制两种方式。远程自动控制方式为通过CAN接口的气压仿真指令信号。本地控制方式为操作人员直接在计算机上输入的操作指令。工业控制计算机接收到输入量后，通过设备控制软件将高度值和时间要求处理成压力控制目标值和压力控制速度要求；在一个工作周期内，控制软件通过对比气压目标值和采集气压传感器的输入压力值，结合压力控制速度要求按照控制策略计算形成电气控制指令，驱动伺服装置和继电器开关，控制真空发生装置和电磁阀来调节气路流向及流量阀口开度，从而控制进出被测设备封闭容腔的气量，间接控制容腔内的气体压力值。考虑到气压控制迟滞和气压控制稳定性要求，1个气压控制工作周期设定为20ms。

对应于环境压力模拟器的各主要硬件，结合系统技术性能指标要求，硬件设备设计清单如表1表所示。

表1硬件设备设计清单

图2是本发明实施例提供的信息处理单元的结构框图。如图2所示，该信息处理单元的软件组织结构按层次可划分为应用层、实时控制层2个层次。

应用层软件由人机操作界面、设备状态显示模块、历史数据存储模块、设备参数配置模块、设备控制模块构成，

实时控制层软件完成设备硬件的实时控制，部署在气压高度模拟系统中。该层软件由2层组成，底层由IO管理模块、高速测频装置驱动、数字IO装置驱动、A/D装置驱动、D/A装置驱动、CAN通讯装置驱动组成，实现基本IO的控制。上层由控制器模块、接口装置控制模块、定时模块、设备安全监视模块、设备自检模块构成，完成气压发生通道的控制、设备自检、远程控制等功能。底层实时控制软件通过控制器模块与应用层软件进行数据信息的交互。

控制软件的设计采取自上而下、模块化设计思想，编程形式开发，增强软件工作的可靠性、重用性、可维护性与可扩展性。控制软件采用LABVIEW软件、RTX实时插件、C++语言编制，发挥出各自开发工具的优势。对于需要进行实时控制的底层硬件驱动软件，采用RTX实时插件、C++语言编写，以增强底层控制的实时性和工作的可靠性。

气压伺服控制的控制结构框图如图5所示。控制结构参数与封闭容腔(被测设备)容积有关，根据不同容积整定几套不同容积的控制参数，不同参数对应不同的封闭容腔容积。通过在线测量所连接的取压盒容积来选择相应的控制参数用于实际气压模拟。

取压盒1的传递函数G(s)为：

其中,K_q为电/气伺服装置的流量系数；K_c为电/气伺服装置的泄漏系数；R为气体常数；M_mol为空气摩尔质量；V为取压盒的容积，T为温度，s为变量。

通过取压盒1的传递函数的公式能够更好的模拟压力变化环境和气压高度曲线。

气压高度模拟系统为独立机箱结构，上部安装工业平板电脑，中部安装有压力控制器，底部安装有带消音措施的真空泵；从机柜前部可抽出操作键盘和压力控制器。其中，压力控制器包括取压盒1、安装座2、气压传感器及内部校准传感器3、气密开关阀4、电/气伺服装置5和消音装置6。

压力控制器抽出后可方便的安装不同规格的被测设备取压盒；压力控制器上除内部连接接口外，还设有校准用的外部加压接口；气压高度模拟系统外形尺寸为630mm×650mm×1408mm，(宽×深×高)。

控制柜下部安装有可锁紧脚轮，方便设备移动和固定；机箱四壁可拆卸。

压力控制器主要由1台15m³/h大容量真空泵、电/气伺服装置、高精度气压传感器、内部校准传感器、消音装置、安装基座组成。工作时，在安装基座上安装静压高度控制器取压盒，连接相应连接电缆。

工业控制计算机控制真空泵启停、伺服开度控制以及气密开关操作。当容腔产生目标压力后，通过关闭气密开关，使取压盒、高精度气压传感器处形成一闭死容积；可检测该容腔压力变化以完成系统的气密性能检查。

取压盒机械连接部件包括安装底座、机械接口(与取压盒配套)两部分；机械接口用于连接取压盒与安装底座。其快速安装过程示意如图4所示。

安装拆、卸过程步骤：

(1)安装取压盒时选择对应机械接口，使用螺钉将取压盒安装在机械接口上并紧固；

(2)将紧固好的部件(机械接口与取压盒)沿导向槽垂直插入安装底座中；

(3)顺时针旋转部件，将部件固定到安装底座上，完成安装过程。

(4)拆卸过程按上述过程逆序进行。

取压盒机械接口用于连接取压盒。其内部流道以及安装连接尺寸与实际使用返回器的安装部件相同，最大限度地做到与实际情况相同。装配后机械接口、取压盒、安装底座装配后的内部结构如图3所示。安装底座及机械接口采用不锈钢材料，二者内部形成体积约为0.4L的缓冲容积，用于减小控制压力脉动、模拟舱外压力环境。

应用层软件由人机操作界面、设备状态显示模块、历史数据存储模块、设备参数配置模块、设备控制模块构成，各个模块功能如下：

人机操作界面：是系统的人工输入、输出接口。系统通过界面接受操作者发出的测试命令及设备配置参数。

状态显示模块：用于获取和组织设备的状态信息，包括自检信息、故障信息、通道配置信息、工作模式、通道输出、安全保护等信息。并通过人机界面输出。

设备参数配置模块：对通过人机操作界面输入的设备参数进行管理，完成设备参数的实际配置工作。

设备控制模块：在应用层层面上完成对底层硬件设备的控制工作。系统通过此模块与控制器模块信息交互，并获取各控制器的状态信息。

实时控制层软件完成设备硬件的实时控制，部署在气压高度模拟系统中。该层软件由2层组成，底层由IO管理模块、高速测频装置驱动、数字IO装置驱动、A/D装置驱动、D/A装置驱动、CAN通讯装置驱动组成，实现基本IO的控制。上层由控制器模块、接口装置控制模块、定时模块、设备安全监视模块、设备自检模块构成，完成气压发生通道的控制、设备自检、远程控制等功能。底层实时控制软件通过控制器模块与应用层软件进行数据信息的交互。

本发明能够准确、实时地提供模拟压力变化环境；本发明能够实时模拟气压高度曲线；本发明具有结构紧凑、操作方便和维护性好的优点。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种快速响应高精度气压高度模拟系统，其特征在于包括：信息处理单元、取压盒(1)、安装座(2)、气压传感器及内部校准传感器(3)、气密开关阀(4)、电/气伺服装置(5)、消音装置(6)和真空泵(7)；其中，

所述取压盒(1)与所述安装座(2)相连接；

所述气压传感器及内部校准传感器(3)与安装座(2)相连接；

所述安装座(2)与所述气密开关阀(4)相连接；

所述电/气伺服装置(5)与所述气密开关阀(4)相连接；

所述电/气伺服装置(5)与所述真空泵(7)相连接；

所述电/气伺服装置(5)与消音装置(6)相连接；

所述信息处理单元与电/气伺服装置(5)、真空泵(7)、气压传感器及内部校准传感器(3)相连接；

气压传感器及内部校准传感器(3)采集取压盒(1)的气压值，并将气压值传输给所述信息处理单元；

所述信息处理单元根据预设的高度值和时间转换为气压目标值和压力控制速度；所述信息处理单元根据气压值、气压目标值和压力控制速度得到电气控制指令，所述信息处理单元根据电气控制指令驱动电/气伺服装置(5)来调节气路流向及电/气伺服装置(5)的流量阀口开度，使得取压盒(1)的气压值在预设的时间内达到气压目标值。

2.根据权利要求1所述的快速响应高精度气压高度模拟系统，其特征在于：若气压值大于气压目标值，则所述信息处理单元使得电/气伺服装置(5)的放气口关闭并驱动真空泵(7)工作，真空泵(7)开始抽取取压盒(1)的空气，所述信息处理单元根据压力控制速度调节电/气伺服装置(5)的流量阀口开度，使得在达到气压目标值时抽取取压盒(1)的空气的时间等于预设的时间。

3.根据权利要求2所述的快速响应高精度气压高度模拟系统，其特征在于：若气压值大于气压目标值，则所述信息处理单元使得电/气伺服装置(5)的放气口打开，真空泵(7)停止工作，取压盒(1)的空气经过气密开关阀(4)和电/气伺服装置(5)排出，所述信息处理单元根据压力控制速度调节电/气伺服装置(5)的流量阀口开度，使得在达到气压目标值时取压盒(1)排出空气的时间等于预设的时间。

4.根据权利要求1所述的快速响应高精度气压高度模拟系统，其特征在于：所述安装座(2)包括安装基座(21)、机械接口(22)、安装底座(23)和O型圈(24)；其中，

所述取压盒(1)通过螺钉与所述安装基座(21)相连接；

安装基座(21)与所述机械接口(22)相连接；

所述机械接口(22)通过所述O型圈(24)与所述安装底座(23)相连接。

5.根据权利要求1所述的快速响应高精度气压高度模拟系统，其特征在于：所述取压盒(1)的传递函数G(s)为：

其中,K_q为电/气伺服装置的流量系数；K_c为电/气伺服装置的泄漏系数；R为气体常数；M_mol为空气摩尔质量；V为取压盒(1)的容积，T为温度，s为变量。

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