基于AMESim的机组氧气系统仿真研究

万书婷

【摘 要】机组氧气系统对控制的精度、速度和稳定性都有很高的要求，本文通过AMESim软件对机组氧气系统控制进行仿真和优化，通过增加PID控制器使系统的响应时间和系统稳定性有了大幅度的提升，并且实现起来简单易行，在未来机型上有很好地应用前景。

【关键词】机组氧气系统；氧气面罩；AMESIM软件；PID控制

0 引言

飞机氧气系统在舱内压力高度超过设定值或舱内着火、有烟雾时为乘员提供生命活动必要的氧气。因为供氧对象和需求不同分为机组氧气系统、旅客氧气系统和便携式氧气设备。旅客氧气系统因供氧时间短多为化学氧；机组氧气系统按适航要求需要2H以上供氧，因此需要氧气瓶持续供氧。

按照AC25-20中对生理极限高度的定义：人类对高度增加的反应因人而异，在相当低的高度，抽烟或健康状况欠佳人员会先于年轻和身体健康人员出现影响反应，如果没有氧气辅助，多数人员会开始经历夜视能力减弱现象，而正常视觉敏感度是在约5000英尺高度，在大约10000英尺高度上，经历几个小时之后，人员会开始表现出智力敏感度和体力灵巧度减弱，在18000英尺，智力减弱会引起神志不清，有效清醒时间（TUC）约为15分钟，在25000英尺，多数人员的TUC约为3-10分钟，在25000英尺以上高度，TUC快速降低，在40000英尺，就只剩几秒钟了。然而，如果一人呼吸的是100%的氧气，在34000英尺高度，肺内局部氧压与在海平面呼吸空气时相同，在40000英尺，呼吸100%的氧气，肺内局部氧压与在10000英尺呼吸空气时相同，所以，34000英尺为人体组织缺氧完全防护的最高高度，40000英尺为100%吸氧人身防护最高高度，必须在有限的时间降低到安全高度。

通过人体在不同高度对氧气的需求分析以我们可以发现随着气压高度和自身条件的不同对氧气浓度和压力有着不同的需求，但现有氧气设备在佩戴时即为飞行员提供100%浓度的加压氧气，从经济性和科学性上还有待优化。如果能按外界气压高度不同和飞行员不同场合需要为机组人员提供不同工况的氧气，会极大减轻氧气系统重量，提升飞机经济性。但作为实现的基础，氧气系统精确控制方面研究还处于起步阶段，氧气系统数学建模存在空白。

本文针对机组氧气系统的氧气面罩容积、供氧人数及执行器件等均对系统稳定性造成影响的问题，依据实际控制方案采用电机工作原理和质量守恒原理通过合理简化创建由输入电压到面罩内氧气浓度的数学模型。模型的建立为系统精确控制氧气供给的实现以及控制算法的优化提供试验基础。

机组供氧系统用于在应急情况下为机组成员提供必要的氧气，因此，系统需要有很快的相应速度和极佳的稳定性，在AC25-7A中要求，当座舱高度超过10000ft后，机组成员的反应时间为17s，佩戴氧气面罩时间为5s。因此，机组氧气系统从开始相应到氧气面罩压力和浓度满足要求的时间最大不能超过5s中，在普通的控制过程相应速度和稳定性要求很难满足机组氧气系统要求。本文采用PID控制器控制系统的响应速度加快、调节精度提高、稳定性变好，系统的过度时间短。显著特点就是，PID控制器在系统参数发生变化时仍能表现出良好的控制性能指标，自适应能力强，这在实际的工程应用中具有重大意义。

1 机组氧气系统建模

机组氧气控制系统可通过对外侧环境的实时监控，按既定控制逻辑对氧气瓶出口的调节阀进行调节以控制氧气释放速度，保证为机组提供不同浓度和不同压力的氧气。

机组氧气控制系统框架如图1所示。本文针对该框架进行建模。

首先对氧气面罩进行建模。将氧气面罩假设成为一个含有输入输出的密闭容器。氧气输出入形式为阀门释放，输入速度为Q1；输出形式为人体呼吸消耗，输出速度为Q0。面罩内容积为V，初始氧气浓度为1，二次检测浓度为2，根据质量守恒在飞机上机组氧气系统供氧采用压缩供氧方式，氧气从氧气瓶中通过调节器为机组提供必需的氧气。氧气瓶同面罩间压差恒定的前提下通过控制阀瓣的开度控制氧气摄入面罩内的进气量同活门开度成正比，若飞行员状态正常，呼吸恒定，呼吸所消耗的氧气速度会在很定的区间内浮动。

2 基于AMESim的氧气控制系统控制器设计

AMESim提供了一个系统工程设计的完整平台，使得用户可以在一个平台上建立复杂的多学科领域系统的模型，并在此基础上进行仿真计算和深入的分析。

根据机组氧气系统实际工作情况建立系统模型如图2所示。用到的库有机械库、信号库、控制系统库和气动库。本文以某型飞机为例模拟机组氧气系统模型，该型飞机最大飞行高度39800ft，飞行员需在座舱高度大于10000ft后佩戴氧气面罩，机组氧气系统由加压氧气瓶直接供氧，氧气瓶容积为77ft3，瓶内压力为2200Psig。图2是机组氧气系统仿真模型。直接仿真可得到没有经过PID校正过的压力变化曲线，面罩内的压力变化曲线如图3所示。

由图3可见，未经PID校正的面罩内压力是一个稳点上升的过程，其上升过程较为缓慢，可在10s左右达到稳定状态，但在实际过程中，飞行员需要在佩戴氧气面罩的同时获取足够压力和浓度的氧气保证飞行员以足够清醒的状态完成飞机操控任务。因此，我们在仿真系统中增加PID控制以减少系统达到稳态的时间，系统校正模型如图4所示，其中KP=200，KI=0.4，KD=0.2，对其仿真得到校正后的压力变化曲线，如图5所示。从图5可以看到经过PID控制后面罩内压力到达稳态的时间由原先的近10s中减少到少于1s，在实际飞行过程中飞行员从摘取氧气面罩到佩戴氧气面罩全过程用时5s，因此在加入PID控制以后，通过PID控制的快速性与稳定性保证氧气系统可满足飞行员的需求。

3 总结

利用 AMESim对 PID 控制机组氧气系统进行了模拟仿真，仿真模型直观地、方便地反映了系统工作的动态特性。通过加入PID控制提升控制的响应速度和稳定性，帮助飞行员能够在最短时间内获取足够压力和浓度的氧气，在极限状态下使飞行员有足够氧气保证在清醒的状态下完成各种飞机姿态操作。

【参考文献】

[1]AC25-7A.咨询通告[R].

[2]AC25-20.咨询通告[R].

[3]付永领，等.AMESim系统建模和仿真[M].北京航空航天大学出版社，2006.

[4]秦家升，游善兰.AMESim软件的特征及其应用[J].工程机械，2004（35）.

[责任编辑：侯天宇]