密閉艙室超壓控制方法

楊海燕，喻俊峰

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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密閉艙室超壓控制方法

楊海燕，喻俊峰

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

考慮到合理控制方法是建立和維持密閉艙室超壓的關鍵，對超壓開環控制方法、閉環控制方法進行分析對比，總結各自的優缺點，提出一種階段控制方法，以期結合開環控制和閉環控制的優點，試驗結果表明，階段控制方法有效。

密閉艙室；超壓；控制方法；開環；閉環

密閉艙室超壓控制系統工作時，需要快速達到超壓，并保持穩定，為保證安全舒適，要求在建壓過程中超壓上升時間、調整時間短，超調量小，振蕩小。由于艙室的密閉性，為保證艙內人員有足夠的新鮮空氣，一般要求鼓入艙室的空氣流量穩定在某一個值附近。為了便于分析，將鼓入艙室的空氣流量設為常量，并忽略密閉艙室的空氣泄露和溫度變化。系統采用控制艙室空氣泄放量的方式，將艙室超壓穩定在目標值，視系統穩態后的超壓值Δp為常量。

1 系統模型

根據理想氣體狀態方程，密閉艙室超壓控制系統的微分方程[1]表達為

Qxdt-Qydt=C·d(p(t))

(1)

式中：Qx為鼓入艙室的空氣流量；Qy為流出艙室的空氣流量(即泄放流量)；p(t)為密閉艙室超壓；C為與艙室容積、氣體常數、溫度等有關的常數。

Qx為本系統的輸入，一般情況下，通過風量控制裝置將Qx定為恒定量(實際情況是在某一固定值附近小范圍波動)，Qy為與p(t)有關的變量。

(2)

式中：S,ρ(t),ξ,p(t)分別為泄放孔截面積、艙室大氣密度、泄放孔阻尼系數，艙室初始大氣壓力；p(t)為本系統輸出。

2 超壓控制方法

2.1 開環控制方法

通過式(1)和式(2)計算得出泄放孔截面積S(系統穩態時Qx=Qy)，并根據實驗結果對進行S修正。開環控制系統工作前，即將泄放孔固定。

開環控制系統工作時，往密閉艙室鼓入新風，新風量Qx為單位階躍輸入，艙室超壓p(t)隨時間逐漸上升，是一條單調的上升曲線，穩態值為目標超壓Δp，此時系統穩定，典型的超壓曲線見圖1[2]。

開環控制系統壓力上升平穩，隨時間推移，穩態值與目標值越接近，可認為實時壓力達到目標值的98%為穩定，其穩態時間與系統的固有特性相關。

但開環控制系統存在抗干擾能力差、穩定時間長的問題，泄放孔截面積S是其關鍵參數，直接影響系統的穩態值，實際系統中，由于存在艙室結構泄露，理論計算的S一般比實際工作的截面積大。系統工作中存在的擾動，也將影響穩態值。要想準確控制穩態值在目標值附近，需要根據當前超壓實時調節泄放孔截面積S，引入閉環控制方法。

2.2 閉環控制方法

閉環控制系統中，通過實時采集艙室超壓，通過一定控制算法，不斷地調節泄放孔截面積S，直至實現維持艙室超壓在目標值附近。當艙室超壓在目標值一定誤差范圍內如(±2%)，可視為系統達到穩定狀態。閉環控制原理見圖2。

控制器通?？刹捎肞ID調節法，典型的PID調節控制原理見圖3。

目標壓力與當前壓力的差值e(t)為調節器輸入，將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構成控制量，對被控對象(如泄放閥的泄放孔截面積)進行控制。PID控制算法[2]表達為

(3)

PID控制引入了壓力微分和積分環節，結合式(1)和式(2)，超壓控制系統可表述為二階系統[2]，其對單位階躍輸入Qx的響應為減幅振蕩函數，系統開始工作后超壓連續經歷波峰、波谷，經過幾個周期后，振蕩幅度逐漸減小后穩定。閉環控制系統典型的理論超壓控制曲線見圖4。

比較圖4和圖3可見，閉環控制系統的超壓響應速度、穩定時間快于開環控制系統，但系統在第一個振蕩周期振幅較大，其超壓最大值pt及此后的最小值pb，對系統的工作有影響。在密閉艙室，超壓過高可能會對結構、設備造成物理破壞，帶來人體耳膜的不適；超壓過低則不足以抵御外界動壓的沖擊。因此，閉環控制系統還應控制超壓最大值pt及此后的最小值pb在合理的范圍內，一般可要求：

1)超壓控制系統應規定合理的超壓波動指標。

2)超壓最大值pt及此后的最小值pb在超壓波動指標內。

采用合理的PID參數(Kp,Ti,Td)可以有效限值超壓最大值pt及此后的最小值pb，該參數是經驗參數，需要在系統調試中反復試驗才能最終確定。

2.3 階段控制方法

開環控制系統壓力曲線平滑，呈單調上升趨勢，其不足在于壓力響應速度慢、穩定時間長、難以應對外部擾動；而閉環控制系統壓力區域呈衰減振蕩趨勢，壓力響應速度快、穩定時間短，其不足在于存在壓力超調情況，如果控制程序不得當或是PID參數不合理，還可能產生超壓持續小范圍波動，帶來穩定性差的問題。

采用階段控制方法，可有效綜合二者的優勢，彌補各自的不足。超壓控制系統基于閉環控制方法搭建，控制器能夠采集密閉艙室超壓，能夠調節泄放孔截面積，超壓控制策略表述如下。

1)每次開始建壓時，向控制器發出啟動指令，控制器開始執行第一階段程序，保持泄放孔關閉，使超壓快速上升。

2)當超壓達到一定數值p1(根據試驗效果確定)，控制器執行第二階段程序，按照開環控制方法，使泄放孔截面積固定在某一數值(如在理論的開口面積附近)，直至超壓上升至p2(根據試驗效果確定)。

3)當超壓達到一定數據p2時，控制器重新轉變為閉環控制，根據實時超壓數值，采用PID控制方法，調節泄放孔截面積，迅速穩定超壓值，直至系統發出停止建壓指令。

4)系統發出停止建壓指令時，控制器程序跳出上述階段至初始狀態。

新的超壓控制方法的流程見圖5。

在整個超壓控制流程中，系統保持對超壓進行采集，根據實時超壓反饋執行相應階段的策略。

3 超壓控制試驗

按照第3節中介紹的超壓控制方法搭建超壓控制試驗平臺，進行超壓控制試驗，記錄密閉艙室的超壓數據。

3.1 開環控制試驗

采用開環控制方法，將泄放孔截面積固定在理論計算值，往密閉艙室鼓入新風，將密閉艙室的超壓數據繪制成實時曲線圖，得到圖6。

注：圖中橫向一格為20 s

由圖6可見，采用開環控制方法，經過橫向7格的時間后，超壓開始趨于穩定，且超壓穩定值與目標值存在一定差距(約縱向1格)。主要是因為密閉艙室存在結構泄露(這種泄露不可避免)，使理論計算的泄放開口截面偏大，實際工作的泄放開口截面需要根據試驗情況修正，經過反復的試驗才能逼近目標值。這種試驗需要耗費較長的時間，且當系統產生擾動或環境條件有變化時，試驗結果將有差異。

3.2 閉環控制試驗

采用全程閉環PID控制方法，系統開始工作時，即進入艙室超壓PID控制模式，程序在每個計算周期根據當前值與目標值的差值，進行比例、微分、積分計算，對泄放孔截面進行調節，將艙室的超壓數據繪制成實時曲線圖，得到圖7。

由圖7可見，采用全程閉環PID控制方法，開始建壓后，超壓迅速上升達到波峰值(約30 s)，之后再經歷波谷、波峰后，在橫向4格(約80 s)的時間后超壓趨于穩定。超壓穩定值接近于目標值，在目標值附近小幅度波動。超壓波峰值與目標值的偏差(超調量)約為10%，符合閉環系統的一般特性。

3.3 階段控制試驗

采用2.3中介紹的超壓控制方法，系統開始后，依次經過階段1、階段2、階段3，將艙室的超壓數據繪制成實時曲線圖，得到圖8。

由圖8可見，采用階段控制方法，結合了開環控制和閉環控制的優點。開始建壓后，超壓迅速上升達到波峰值(約45 s)，之后再經歷波谷、波峰后，在橫向3.5格(約70 s)的時間后超壓趨于穩定。超壓穩定值接近于目標值，在目標值附近小幅度波動。超壓波峰值得到有效抑制，超調量約為6%的偏差，相對于圖7中的情況有所改善。

4 結論

基于超壓反饋進行超壓調節是本系統工作的通用做法，合理的超壓控制策略能夠快速穩定建壓，減少振蕩。所提出的階段控制方法能夠較好地綜合開環控制、閉環控制的優點，實現快速建壓，有效抑制超調。需要指明的是，由于要求泄放孔截面積可調節，所以其最大截面積應大于理論計算值，另外控制器的PID參數需要根據試驗確定最優值。

[1] 喻俊峰，楊海燕.艙室超壓建立的物理模型分析[J].船海工程,2016,45(2):109-111.

[2] 楊叔子，楊克沖.機械工程控制基礎[M].5版.武漢：華中科技大學出版社,2005.

[3] 林芃，王吉，包劍，等.水面艦艇集體防護系統PID控制分析[J].中國艦船研究，2015，10(4)：118-124.

[4] 方勇.艦船集體防護系統超壓及其波動分析[J].艦船防化，2013(3)：48-51.

[5] 方勇.艦船集體防護系統增壓建立分析[J].船海工程,2013,42(4):112-113.

[6] 李光.艦船密閉區域氣密特性研究[J].中國艦船研究，2015，10(4)：125-131.

Research on Controlling Overpressure Methods in Enclosed Cabin

YANG Hai-yan, YU Jun-feng

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Optimal controlling method is the key factor in establishing and keeping the enclosed cabin's overpressure. The open-loop controlling method and closed-loop method were analyzed comparatively. The advantages and disadvantages of the two methods were summarized. A new periodical controlling method was proposed. The test results show that new periodical controlling method is effective.

enclosed cabin; overpressure; controlling method; open-loop; closed-loop

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.008

2017-03-07

國家部委基金資助項目

楊海燕(1976—)，女，碩士，高工

研究方向：船舶總體設計

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0037-04

修回日期：2017-03-27