氧气调节器供氧浓度模糊控制方法的仿真研究

孙昊王收军孙青林

摘要：氧气调节器为航空供氧系统的核心部件，它以飞机的飞行高度的变化速率为依据，并且根据航空供氧准则的要求，为驾驶员动态地提供相应含氧浓度的混合气体或纯氧。本文首先通过分析航空供氧生理学理论以及氧气调节器的工作原理，建立氧气调节器的活门开度与飞机飞行高度之间关系的数学模型，并且设计一种应对供氧调节器的活门开度的模糊控制器。最后使用MATLAB软件平台的Simulink模块对模糊控制方法的可行性和有效性进行仿真实验验证。仿真实验结果表明，本文中所给出的模糊控制规则合理，能够使得氧气调节器为飞行员提供符合含氧浓度要求的混合气体。

关键词：氧气调节器；氧气浓度；模糊控制；仿真研究

中图分类号：TP273.4文献标识码：A

1引言

当飞机在高空飞行时，由于大气压强伴随高度的升高而降低，外部空气的含氧浓度并不能满足驾驶员的需要。因此驾驶员需要通过氧气调节器按照飞行高度供给不同含氧浓度的混合空气或者纯氧，而军机在执行任务过程中，由于其飞行速度快，飞行高度变化剧烈，这就要求供氧设备为飞行员提供的氧气的含氧浓度的提出了更高的要求。所以，供氧调节器如何对输出的混合气体中的氧气浓度进行控制，以符合飞行员的需要，一直是军事航空研究人员所关注的重要问题。近年来，法国的EROS公司对此问题进行了深入的研究，推出了军用飞机电子式氧气调节器产品。该产品居于国际领先水平，其性能指标远远高于欧美原有的机械式氧气调节器，美国的第四代战机F-22上也开始使用该产品[1]。其他国外在该问题上的研究进展，由于保密原因而很少见到有公开的报道和介绍。在国内，北京航空航天大学的赵竞全教授研究设计了一种为飞行器座舱高度在12km时氧气调节器的加压供氧的控制方法，并通过仿真实验对该方法进行分析验证[2]。北京航空航天大学的林贵平教授则设计了一套基于ATmega128单片机的氧气调节器的控制电路和软件解决方案，其主要研究内容在于如何降低呼吸阻力[3]。据从用户反馈回来的信息所知，国内先进战机的供氧调节器的氧气浓度控制问题尚未得到彻底解决，还有一些问题值得进一步的探讨[4]。因此，为先进战机设计一种满足飞行员需要的氧气调节器的供氧浓度控制方法，是一项十分重要且有工程实用价值的工作[5]。下面，本文将介绍和总结飞行器氧气调节器的主要结构和工作原理，在对战机飞行员处于不同飞行高度所需要的混合气体中氧气浓度的变化情况的深入分析基础上，给出氧气调节器的活门开度与飞机飞行高度之间关系的数学模型，设计一种对供氧调节器的活门运动开度的模糊控制方法，并应用MATLAB软件对控制方法进行实验验证。

2氧气调节器的工作原理

由于高空之中大气压力降低，使得飞行员吸入气体的含氧浓度不能满足飞行员的需要，氧气调节器的主要工作任务就是控制飞行员吸入器提的含氧浓度，预防缺氧所引起的反应或者症候。根据航空生理学要求，当飞行高度高度1500m以下时：飞行员主要吸入外部环境的空气，其主要目的是降低氧气的消耗。当飞行高度在1500-9000m的范围内时：伴随飞行高度的升高，飞行员吸入气体的氧分压降低，为了保证飞行员吸入气的氧分压水平满足其需要，氧气调节器必须随高度升高而提高吸入气体的含氧浓度。当飞机的飞行高度在9000m以上时，氧气调节器一般供给纯氧。并且当飞机的飞行高度继续升高，氧气调节器采取加压供氧的方式。本文主要讨论飞机的飞行高度在0-9000m的范围内时氧气调节器的控制策略[6-7]。

氧气调节器的工作过程简介如下：当飞行员吸气时，氧气面罩内部压力降低，面罩内吸气活门打开，此时控制器通过控制电机打开氧气以及空气活门，使气体通过吸气活门。当飞行员呼气时，面罩内呼气活门打开、吸气活门关闭，供给气体不再流入面罩内部，同时关闭氧气以及空气活门[8]。图1为氧气调节器简化原理示意图。

飞机在飞行过程中，氧气调节器通过调整它的氧气和空气活门，来控制氧气流量以及空气流量，使得飞行员吸入气体的浓度满足飞行员在不同高度下对于吸入气体的不同氧气浓度的要求。一般来说，氧气调节器主要是将空气活门的开度固定不变，通过对氧气活门的开度进行调整，使得氧气调节器供给飞行员的气体的氧气浓度符合飞行员的要求。由于平板活门的活门座和活门板之间的气密性更好，所以一般飞行员佩戴的氧气调节器的活门多采用平板活门，如图所示。

活门主要设计参数：氧气活门直径4mm，活门最大开度2mm；空气活门直径4mm，假设空气活门开度保持不变为0.2mm。氧气活门入口压力与出口压力分别为80kPa和20KPa，由此得到活门进出口压力比为0.25，小于临界压力比，所以气体的流动处于超临界状态。根据工程流体力学中关于气体在绝热等熵条件下通过收敛喷嘴的流量公式，即可得出当处于超临界流动时，通过活门的气体的物质流量为：

4模糊控制器的设计

模糊控制器的主要组成部分有：模糊化，知识库，模糊推理以及解模糊，其主要结构如图3。

3数学模型

4.1输入模糊化

在本文中，当飞行员吸入气氧气浓度为21%时，如果由人来控制氧气的浓度的话，则需要将吸入气的氧气浓度提高到25%。计算机仿照人的思维进行模糊控制，将吸入气氧气浓度为21%这一信息转化为“吸入气氧气浓度过低”，而“如果吸入气氧气浓度过低，那么增大氧气活门开度”这条语句就是模糊规则。在本文中，输入量E为航空供氧理论要求的活门开度与实际活门开度之间的差值，模糊论域为[-10，10]，模糊量化因子k取值0.08；。EC为理论要求的氧气活门开度变化率，模糊论域取[-10，10]，模糊量化因子kec取10/86，E与EC均采取三角形隶属度函数。输出量U为氧气活门开度变化，模糊论域为[-1，1]，比例因子ku取值0.05，隶属度函数为高斯函数，如下图所示。

4.2模糊控制规则

本文根据系统的实际情况和控制精度要求，将E及EC的调整量在其论域上划分连续的七个模糊集合，分别为：NB（负大）、NM（负中）、NS（负小）、ZO（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。并列出49条规则：

1）当输入量E为PB，并且EC为PB时，代表此时实际活门开度与理论活门开度存在较大的差距且理论要求的活门的开度变化率仍在增大，因此输出量U取PB即为极大地增大氧气活门开度。

2）当输入量E为PS，EC为ZO时，代表此时实际活门开度与理论活门开度存在较小的差距，并且理论要求的活门开度的变化率为零，因此输出量U取PS即为稍微增大氧气活门的开度。

3）当输入量E为NM，EC为NS时，代表此时实际活门开度与理论活门开度有一定的差距，并且理论要求的活门开度的变化率也在降低，因此输出量U取NM即为以一定速度降低活门的开度。

4）当输入量E为NB，且EC也为NB时，代表此时实际活门开度远大于理论活门开度，且理论要求的活门开度的变化率也在急速降低，因此输出量U取NB，即为急速降低活门开度。

4.3解模糊

由模糊规则推理出来的模糊控制量是模糊值，不能直接用于控制被控对象，需要先转化成一个执行机构可以执行的精确量。此过程称为解模糊或模糊判据。解模糊的目的是根据模糊推理出的结果，求得最能反映控制量的真实分布。在本文中采用加权平均法，将模糊计算得到的控制量转换到控制对象的实际论域中，即为乘上比例因子ku才能得到最终实际的控制量。

5系统的仿真实验及其结果分析

为了验证数学模型的正确性和模糊规则确立的合理性，我们需要对整个控制系统进行系统仿真。图5为系统在MATLAB /Simulink下的仿真图：

从仿真结果可以看出，在第一种飞行曲线的情况下的理论吸入气体含氧浓度与实际吸入气体含氧浓度的偏差在[-1.5%，1.5%]之间，第二种情况的理论值与实际值的偏差则在[-1%，1%]之间。系统输出的供氧浓度曲线与理论的浓度曲线基本吻合，证明了将模糊控制运用在调氧器控制系统上是可行的，在该模糊控制器作用下供氧控制系统具有良好的调节效果，能够持续稳定地为飞行员提供具有合适的氧浓度的混合氧气。

6结论

本文简要介绍了飞行器氧气调节器的主要结构和工作原理，在对战机处于不同飞行高度时飞行员所需要的混合气体中氧气浓度要求的必要分析的基础上，给出氧气调节器在输出合适氧浓度的混合氧气的条件下活门开度与飞机飞行高度之间关系的数学模型，设计了一种对供氧调节器的活门运动开度的模糊控制方法，并应用MATLAB软件的Simulink仿真模块对控制方法进行实验验证。实验结果证明，将模糊控制运用在氧气调节器系统上是可行的，本文提出的模糊控制方法能够使得氧气调节器为飞行员提供的混合氧气的氧浓度与理论值之间的误差很小，符合飞行员的飞行需要。

参考文献

[1] BEAUSSANT R.Modern oxygen and antiG protection for the pilot of advanced fighter aircraft SAAB JAS 39[J].ICAS proceeding，1990.

[2]余中军，赵竞全.基于Simulink的航空供氧系统加压供氧性能仿真[J].微计算机应用，2010，（2）：1-6.

[3]俞笑，孙兵，林贵平，等.ATmega128单片机在电子式氧气调节器上的应用[J].微计算机应用，2009，（12）：50-56.

[4]孙灿飞，蔡元友，龙海军.电子式氧气调节器中步进电机模糊控制技术研究[J].测控技术，2013，（04）：78-81.

[5]肖华军编著.航空供氧防护装备生理学[M]. 北京：军事医学科学出版社， 2005.

[6]梅永辉，卢齐英.飞机供氧原理与结构[J].科技创新导报.2013，（02）：108.

[7]封文春，朱永峰，周慧红.F-22缺氧问题的分析与思考[J].航空科学技术.2013，（01）：23-26.

[8]叶方博.电子式氧气调节器技术研究[J].江苏航空.2012，（S1）：127-129.