李子軒，林貴平，曾 宇，武 飛

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100191)

?

基于LabVIEW的電子式氧調(diào)器PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李子軒，林貴平，曾 宇，武 飛

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100191)

電子式氧調(diào)器是新型氧氣調(diào)節(jié)器，它是飛機(jī)供氧系統(tǒng)的核心部件；目前針對(duì)電子氧調(diào)器，并沒(méi)有很好的控制調(diào)節(jié)方法，很難達(dá)到現(xiàn)有的性能指標(biāo)要求；對(duì)電子式氧調(diào)器的原理進(jìn)行了分析，基于LabVIEW FPGA設(shè)計(jì)了一種電子式氧氣調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究方法；采用專(zhuān)家PID控制規(guī)則對(duì)氧調(diào)器進(jìn)行控制并進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠?qū)﹄娮邮窖跽{(diào)器進(jìn)行精確控制，其控制程序具有良好的響應(yīng)速度以及控制精度。

電子式氧氣調(diào)節(jié)器；LabVIEW FPGA；控制規(guī)律

0 引言

氧氣調(diào)節(jié)器是供氧系統(tǒng)的核心部件，它能按照供氧規(guī)律，供給飛行員足夠的氧氣或混合氣[1]。

機(jī)械式氧氣調(diào)節(jié)器經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，廣泛應(yīng)用于各代各種型號(hào)的軍用飛機(jī)上，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和高性能戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)供氧系統(tǒng)提出越來(lái)越苛刻的要求，機(jī)械式氧氣調(diào)節(jié)器漸漸顯露出其不足的地方[2]，主要表現(xiàn)在：吸氣阻力較大、響應(yīng)速度較慢，尤其是當(dāng)機(jī)載供氧系統(tǒng)發(fā)展到分子篩制氧的時(shí)候，由于分子篩氧氣濃縮器本身的氧氣出口壓力較低，機(jī)械式氧氣調(diào)節(jié)器越來(lái)越顯現(xiàn)其不足的地方，迫切要求新一代氧氣調(diào)節(jié)器的出現(xiàn)，正是在這種背景下，電子式供氧調(diào)節(jié)器被提上了研究日程。

在電子式氧調(diào)器的研究中，為了滿(mǎn)足相關(guān)性能指標(biāo)要求?？刂埔?guī)律的摸索以及控制方案的設(shè)計(jì)占了主導(dǎo)地位[3]。在用步進(jìn)電機(jī)與音圈電機(jī)取代了傳統(tǒng)的氣動(dòng)活門(mén)后，對(duì)電機(jī)的精確控制是使電子式氧調(diào)器加快響應(yīng)速度，減小吸氣阻力，滿(mǎn)足飛行員呼吸性能指標(biāo)要求的關(guān)鍵因素。

1 電子式氧調(diào)器工作原理

本文所述電子式氧調(diào)器為直接式電子氧調(diào)器，即電機(jī)與活門(mén)位于同一中心軸線(xiàn)，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)活門(mén)工作。因?yàn)殡姍C(jī)直接驅(qū)動(dòng)活門(mén)開(kāi)啟與關(guān)閉，因此直接式電子氧調(diào)器電機(jī)行程較短。電機(jī)驅(qū)動(dòng)活門(mén)到達(dá)相應(yīng)位置所需時(shí)間短，響應(yīng)速度快。

如圖1所示?；铋T(mén)上下兩側(cè)都收到進(jìn)氣口高壓氣體的壓力作用，兩側(cè)壓力作用相互抵消，有利于平板活門(mén)在高壓氣源下，受到的氣體作用力的影響相對(duì)減小，電機(jī)的作用力占主導(dǎo)位置，這對(duì)于活門(mén)的精確控制有著至關(guān)重要的影響。人體吸氣時(shí)，呼吸腔內(nèi)壓力急劇降低，根據(jù)控制規(guī)律，直流電機(jī)向前運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)活門(mén)開(kāi)啟，氣體流經(jīng)呼吸腔進(jìn)入面罩向飛行員供氧。人體呼氣時(shí)，呼吸腔內(nèi)壓力急劇上升，控制程序根據(jù)壓力變化驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)閉活門(mén)，使飛行員呼吸順暢。

圖1 電子式氧氣調(diào)節(jié)器原理圖

從電子式氧調(diào)器的原理圖中可以看出，電機(jī)驅(qū)動(dòng)活門(mén)控制著氧源進(jìn)氣狀態(tài)，與飛行員的正常呼吸息息相關(guān)。不同的飛行員以及不同的飛行狀態(tài)下，其呼吸特性不盡相同，因此只有研究出電子式氧調(diào)器最優(yōu)的控制規(guī)律和驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的最優(yōu)控制方法，才能使飛行員呼吸達(dá)到最舒適的狀態(tài)。

2 基于LabVIEW的電子式氧調(diào)器控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電子式氧調(diào)器控制器通過(guò)實(shí)時(shí)采集呼吸腔出口壓力，經(jīng)過(guò)控制程序的邏輯判斷與運(yùn)算，再控制直流電機(jī)前后運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而控制活門(mén)開(kāi)關(guān)。因此電機(jī)響應(yīng)速度、控制程序運(yùn)算速度、硬件設(shè)備傳輸信號(hào)的快慢是影響氧調(diào)器活門(mén)動(dòng)作快慢，呼氣阻力與吸氣阻力大小的主要因素；而控制邏輯的合理性，穩(wěn)定性，出現(xiàn)異常情況或者在穩(wěn)定情況下，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的電壓信號(hào)是否存在較大的波動(dòng)，也是影響電子式氧調(diào)器正常工作的關(guān)鍵因素。

本文所采用的控制系統(tǒng)的是主要以電測(cè)量傳感器、NI實(shí)時(shí)控制器NI cRIO-9076、NI數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221、NI數(shù)據(jù)采集模塊NI-9203、NI模擬輸出模塊NI-9263和工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)記錄、波形顯示、存儲(chǔ)以及實(shí)時(shí)控制的系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的核心程序通過(guò)上位機(jī)軟件編譯在NI實(shí)時(shí)控制器中，循環(huán)響應(yīng)時(shí)間在μs級(jí)別，可以精確地跟蹤人體呼吸行為動(dòng)作，極大地提高了控制程序運(yùn)算速度與電機(jī)響應(yīng)速度，使呼吸阻力降低到100 mm水柱之內(nèi)，有效解決了當(dāng)前電子式氧調(diào)器存在的問(wèn)題。

控制系統(tǒng)工作流程為：壓力傳感器將相應(yīng)被測(cè)量值轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，一路信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊采集上傳到實(shí)時(shí)控制器，同時(shí)另一路信號(hào)通過(guò)PCI數(shù)據(jù)采集卡采集上傳到上位工控機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，生成波形，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到本地硬盤(pán)。實(shí)時(shí)控制器根據(jù)傳入的壓力信號(hào)通過(guò)已寫(xiě)入編譯的控制程序運(yùn)算分析，產(chǎn)生模擬輸出信號(hào)，通過(guò)模擬輸出模塊傳送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)控制器的整個(gè)工作過(guò)程則通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)將I/O數(shù)據(jù)送入上位工控機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖2 控制系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

3 電子式氧調(diào)器專(zhuān)家級(jí)控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)

本文采用專(zhuān)家級(jí)PID控制對(duì)電子式氧調(diào)器進(jìn)行控制。電子式氧氣調(diào)節(jié)器的工作原理如圖所示。當(dāng)飛行員通過(guò)呼吸面罩吸入呼吸腔內(nèi)氧氣時(shí)，呼吸腔內(nèi)壓力降低，NI機(jī)箱通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊，采集到壓力傳感器測(cè)量出的壓力變化信號(hào)，然后根據(jù)已寫(xiě)好的FPGA控制程序，按照一定的控制方法，通過(guò)模擬輸出模塊輸出信號(hào)，控制直流音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)活門(mén)打開(kāi)，氧源氣體隨之進(jìn)入呼吸腔內(nèi)，導(dǎo)致呼吸腔壓力隨之變化。當(dāng)飛行員通過(guò)呼吸面罩呼出氣體時(shí)，大部分氣體通過(guò)面罩排走，此時(shí)呼吸腔內(nèi)壓力升高，控制程序根據(jù)采集的壓力信號(hào)，控制電機(jī)關(guān)閉活門(mén)，氧源不在進(jìn)入呼吸腔，呼吸腔壓力隨著氣體排走而逐漸減小。因此，呼吸腔內(nèi)的壓力變化主要由兩種原因引起，一是飛行員通過(guò)呼吸面罩從呼吸腔吸出氧氣，二是氧源通過(guò)進(jìn)氣活門(mén)向呼吸腔灌入氧氣。若吸氣的瞬間，供氣氧源流量過(guò)小，會(huì)增加飛行員的呼氣阻力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)憋氣的情況，導(dǎo)致飛行員出現(xiàn)生命危險(xiǎn)；若供氣氧源流量過(guò)大，氧氣大量灌入飛行魚(yú)肺部，出現(xiàn)灌氣的情況，影響飛行員的正常工作。二者只有達(dá)到平衡狀態(tài)，飛行員的呼吸才會(huì)達(dá)到舒適的狀態(tài)。因此，對(duì)于電子式氧調(diào)器電機(jī)以及活門(mén)的精確控制是氧調(diào)器工作狀態(tài)達(dá)到性能指標(biāo)要求的關(guān)鍵所在。

高級(jí)PID的控制方法:

利用傳統(tǒng)的PID控制方法，在超高速響應(yīng)的狀態(tài)下，由于判斷條件過(guò)于簡(jiǎn)單，條件單一，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的超調(diào)、震蕩等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了飛行員的正常呼吸，并沒(méi)有達(dá)到很好的預(yù)期效果。專(zhuān)家級(jí)PID是基于受控對(duì)象和控制規(guī)律的各種知識(shí)，并以智能的方式利用這些知識(shí)設(shè)計(jì)的控制器，可以有效地避免絕大多數(shù)的超調(diào)以及震蕩的現(xiàn)象，如圖3所示。本文根據(jù)飛行員的呼吸特性，在原有專(zhuān)家PID的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。

圖3 專(zhuān)家PID

令e(k)表示離散化的當(dāng)前采樣時(shí)刻的誤差值，e(k-1)、e(k-2)、分別表示前一個(gè)和前兩個(gè)采樣時(shí)刻的誤差值[5]，則有

其中

e(k)=SP-PV

ei(k)=SP-βPV

ed(k)=SP-γPV

根據(jù)誤差及其變化，可設(shè)計(jì)專(zhuān)家PID控制器，該控制器可分為5種情況設(shè)計(jì)[6]：

1)|e(k)|>M1時(shí)，實(shí)施開(kāi)環(huán)控制。

2)當(dāng)e(k)Δe(k)>0且|e(k)|≥M2時(shí)由控制器實(shí)施較強(qiáng)控制作用，其輸出可以為

當(dāng)e(k)Δe(k)>0且|e(k)|

3)當(dāng)e(k)Δe(k)<0,e(k)Δe(k-1)>0或e(k)=0時(shí)，控制器輸出不變。

4)當(dāng)e(k)Δe(k)<0,e(k)Δe(k-1)<0且|e(k)|≥M2時(shí)，實(shí)施較強(qiáng)控制作用，

u(k)=u(k-1)+k1kpem(k)

當(dāng)e(k)Δe(k)<0,e(k)Δe(k-1)<0且|e(k)|

u(k)=u(k-1)+k2kpem(k)

5)當(dāng)|e(k)|<ε時(shí)，此時(shí)加入積分，減小穩(wěn)態(tài)誤差。

式中，ep(k),ei(k),ed(k)：二自由度PID算法的比例、積分、微分權(quán)重誤差；

α,β,γ：二自由度PID算法的誤差權(quán)重因子，范圍0～1；

L：是生成非線(xiàn)性增益項(xiàng)的線(xiàn)性度因子，范圍0～1；

em(k)：誤差e的第k個(gè)極值；

u(k),u(k-1)：分別為第k次和第k-1次控制器輸出；

SP,PV：分別為設(shè)定值以及過(guò)程反饋值；

k1：增益放大系數(shù)，k1>1；

k2：增益抑制系數(shù)，0

M1,M2：設(shè)定的誤差界限，M1>M2；

ε=0.001：任意小正實(shí)數(shù)。

根據(jù)飛行員呼吸狀態(tài)下具體參數(shù)，可以初步設(shè)定控制器比例、積分、微分增益以及誤差權(quán)重因子的參數(shù)范圍，如圖4所示。

圖4 PID算法的實(shí)現(xiàn)控制框圖

4 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

以氧氣為實(shí)驗(yàn)氣體，在不同的入口壓力，肺換氣量為30 L/min的情況下，用該電子式氧氣調(diào)節(jié)器PID控制系統(tǒng)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5～8所示。根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的技術(shù)指標(biāo)要求，在肺通氣量為30 L/min的情況下，吸氣阻力應(yīng)小于600 Pa。從圖中可以看出，在不同的入口壓力下，最大吸氣阻力均在400 Pa左右，實(shí)驗(yàn)結(jié)果已滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

圖5 氣源入口壓力1.0 bar

圖6 氣源入口壓力2.0 bar

圖7 氣源入口壓力3.0 bar

圖8 氣源入口壓力4.0 bar

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下：

1)從圖中可以看出，該控制系統(tǒng)可以將所需實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)全部采集并記錄下來(lái)，同時(shí)可以實(shí)時(shí)的控制電子式氧氣調(diào)節(jié)器正常的工作，這為以后更好地進(jìn)行科學(xué)研究提供了方法。

2)從圖中可以看出，呼氣動(dòng)作與吸氣動(dòng)作轉(zhuǎn)換瞬間，沒(méi)有出現(xiàn)憋氣和灌氣現(xiàn)象，說(shuō)明該控制系統(tǒng)的硬件響應(yīng)速度滿(mǎn)足了飛行員呼吸的性能要求，可以進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)與控制。

3)不同的入口壓力條件下，通過(guò)對(duì)比圖中曲線(xiàn)可以看出，電機(jī)電壓隨著入口壓力的增大而減小。這是因?yàn)楫?dāng)入口壓力增大時(shí)，同等條件下，通過(guò)活門(mén)進(jìn)入呼吸腔的氧氣量更大。因此當(dāng)需要相同的肺通氣量時(shí)，入口壓力越大，活門(mén)開(kāi)度則相應(yīng)減小。

4)對(duì)比不同的入口壓力條件下各個(gè)曲線(xiàn)變化趨勢(shì)基本相同，說(shuō)明該控制系統(tǒng)所用控制規(guī)律具有很好的適應(yīng)性。在不同的肺通氣量下進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足性能技術(shù)指標(biāo)要求，在此不再一一列舉。

5 結(jié)論

本文給出了一種電子式氧氣調(diào)節(jié)器控制規(guī)律研究方案：采用先進(jìn)的NI實(shí)時(shí)控制器，數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集模塊以及模擬輸出模塊，基于LabVIEW大開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用FPGA編程模式進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)。該控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的采集電

子式氧氣調(diào)節(jié)器的各項(xiàng)性能參數(shù)，并根據(jù)控制規(guī)則，精確高速地控制氧調(diào)器正常工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)所用電子式氧氣調(diào)節(jié)器在吸氣阻力等性能指標(biāo)上，均已達(dá)到已有的技術(shù)指標(biāo)要求。該控制系統(tǒng)在電子式氧氣調(diào)節(jié)器未來(lái)的研究中，具有很好的應(yīng)用前景。

[1] 肖華軍.航空供氧防護(hù)裝備生理學(xué)[M].北京：軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)出版社，2005.

[2] 俞 笑，孫 兵，林貴平.ATmegal128單片機(jī)在電子式氧氣調(diào)節(jié)器上的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009,30(12):50-56.

[3] 孫燦飛，蔡元友，龍海軍.電子式氧氣調(diào)節(jié)器中步進(jìn)電機(jī)模糊控制技術(shù)研究[J].測(cè)控技術(shù)，2013,32(4):78-81.

[4] 陳樹(shù)學(xué)，劉 萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[5] 劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[6] 張海龍，馬鐵華，謝 銳，等.專(zhuān)家PID控制算法在循跡機(jī)器人中的應(yīng)用[J].電子測(cè)試，2013(1):33-35.

Control System Designed for Electronic Oxygen Regulator Based on LabVIEW

Li Zixuan，Lin Guiping，Zeng Yu，Wu Fei

(School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

Aircraft electronic oxygen regulator (AEOR) is a new type of oxygen regulator which is the core of the Oxygen Supply System. At present, there is no good control method for the electronic oxygen regulator to meet the requirements of the existing technical index. By analyzing the principle of the AEOR, a new experimental research method of control system was designed for AEOR based on LabVIEW FPGA. Expert PID control rule was used and optimized to improve. The experiment result indicated that the AEOR control system was accurately performed and the control program had good response speed and control precision.

electronic oxygen regulator; LabVIEW FPGA; control program

2015-09-12；

2015-10-30。

李子軒(1990-)，男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事飛行器環(huán)境控制方向的研究。

1671-4598(2016)03-0080-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.022

TP3

A