密闭舱室超压控制方法

杨海燕，喻俊峰

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)



密闭舱室超压控制方法

杨海燕，喻俊峰

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

考虑到合理控制方法是建立和维持密闭舱室超压的关键，对超压开环控制方法、闭环控制方法进行分析对比，总结各自的优缺点，提出一种阶段控制方法，以期结合开环控制和闭环控制的优点，试验结果表明，阶段控制方法有效。

密闭舱室；超压；控制方法；开环；闭环

密闭舱室超压控制系统工作时，需要快速达到超压，并保持稳定，为保证安全舒适，要求在建压过程中超压上升时间、调整时间短，超调量小，振荡小。由于舱室的密闭性，为保证舱内人员有足够的新鲜空气，一般要求鼓入舱室的空气流量稳定在某一个值附近。为了便于分析，将鼓入舱室的空气流量设为常量，并忽略密闭舱室的空气泄露和温度变化。系统采用控制舱室空气泄放量的方式，将舱室超压稳定在目标值，视系统稳态后的超压值Δp为常量。

1 系统模型

根据理想气体状态方程，密闭舱室超压控制系统的微分方程[1]表达为

Qxdt-Qydt=C·d(p(t))

(1)

式中：Qx为鼓入舱室的空气流量；Qy为流出舱室的空气流量(即泄放流量)；p(t)为密闭舱室超压；C为与舱室容积、气体常数、温度等有关的常数。

Qx为本系统的输入，一般情况下，通过风量控制装置将Qx定为恒定量(实际情况是在某一固定值附近小范围波动)，Qy为与p(t)有关的变量。

(2)

式中：S,ρ(t),ξ,p(t)分别为泄放孔截面积、舱室大气密度、泄放孔阻尼系数，舱室初始大气压力；p(t)为本系统输出。

2 超压控制方法

2.1 开环控制方法

通过式(1)和式(2)计算得出泄放孔截面积S(系统稳态时Qx=Qy)，并根据实验结果对进行S修正。开环控制系统工作前，即将泄放孔固定。

开环控制系统工作时，往密闭舱室鼓入新风，新风量Qx为单位阶跃输入，舱室超压p(t)随时间逐渐上升，是一条单调的上升曲线，稳态值为目标超压Δp，此时系统稳定，典型的超压曲线见图1[2]。

开环控制系统压力上升平稳，随时间推移，稳态值与目标值越接近，可认为实时压力达到目标值的98%为稳定，其稳态时间与系统的固有特性相关。

但开环控制系统存在抗干扰能力差、稳定时间长的问题，泄放孔截面积S是其关键参数，直接影响系统的稳态值，实际系统中，由于存在舱室结构泄露，理论计算的S一般比实际工作的截面积大。系统工作中存在的扰动，也将影响稳态值。要想准确控制稳态值在目标值附近，需要根据当前超压实时调节泄放孔截面积S，引入闭环控制方法。

2.2 闭环控制方法

闭环控制系统中，通过实时采集舱室超压，通过一定控制算法，不断地调节泄放孔截面积S，直至实现维持舱室超压在目标值附近。当舱室超压在目标值一定误差范围内如(±2%)，可视为系统达到稳定状态。闭环控制原理见图2。

控制器通常可采用PID调节法，典型的PID调节控制原理见图3。

目标压力与当前压力的差值e(t)为调节器输入，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象(如泄放阀的泄放孔截面积)进行控制。PID控制算法[2]表达为

(3)

PID控制引入了压力微分和积分环节，结合式(1)和式(2)，超压控制系统可表述为二阶系统[2]，其对单位阶跃输入Qx的响应为减幅振荡函数，系统开始工作后超压连续经历波峰、波谷，经过几个周期后，振荡幅度逐渐减小后稳定。闭环控制系统典型的理论超压控制曲线见图4。

比较图4和图3可见，闭环控制系统的超压响应速度、稳定时间快于开环控制系统，但系统在第一个振荡周期振幅较大，其超压最大值pt及此后的最小值pb，对系统的工作有影响。在密闭舱室，超压过高可能会对结构、设备造成物理破坏，带来人体耳膜的不适；超压过低则不足以抵御外界动压的冲击。因此，闭环控制系统还应控制超压最大值pt及此后的最小值pb在合理的范围内，一般可要求：

1)超压控制系统应规定合理的超压波动指标。

2)超压最大值pt及此后的最小值pb在超压波动指标内。

采用合理的PID参数(Kp,Ti,Td)可以有效限值超压最大值pt及此后的最小值pb，该参数是经验参数，需要在系统调试中反复试验才能最终确定。

2.3 阶段控制方法

开环控制系统压力曲线平滑，呈单调上升趋势，其不足在于压力响应速度慢、稳定时间长、难以应对外部扰动；而闭环控制系统压力区域呈衰减振荡趋势，压力响应速度快、稳定时间短，其不足在于存在压力超调情况，如果控制程序不得当或是PID参数不合理，还可能产生超压持续小范围波动，带来稳定性差的问题。

采用阶段控制方法，可有效综合二者的优势，弥补各自的不足。超压控制系统基于闭环控制方法搭建，控制器能够采集密闭舱室超压，能够调节泄放孔截面积，超压控制策略表述如下。

1)每次开始建压时，向控制器发出启动指令，控制器开始执行第一阶段程序，保持泄放孔关闭，使超压快速上升。

2)当超压达到一定数值p1(根据试验效果确定)，控制器执行第二阶段程序，按照开环控制方法，使泄放孔截面积固定在某一数值(如在理论的开口面积附近)，直至超压上升至p2(根据试验效果确定)。

3)当超压达到一定数据p2时，控制器重新转变为闭环控制，根据实时超压数值，采用PID控制方法，调节泄放孔截面积，迅速稳定超压值，直至系统发出停止建压指令。

4)系统发出停止建压指令时，控制器程序跳出上述阶段至初始状态。

新的超压控制方法的流程见图5。

在整个超压控制流程中，系统保持对超压进行采集，根据实时超压反馈执行相应阶段的策略。

3 超压控制试验

按照第3节中介绍的超压控制方法搭建超压控制试验平台，进行超压控制试验，记录密闭舱室的超压数据。

3.1 开环控制试验

采用开环控制方法，将泄放孔截面积固定在理论计算值，往密闭舱室鼓入新风，将密闭舱室的超压数据绘制成实时曲线图，得到图6。

注：图中横向一格为20 s

由图6可见，采用开环控制方法，经过横向7格的时间后，超压开始趋于稳定，且超压稳定值与目标值存在一定差距(约纵向1格)。主要是因为密闭舱室存在结构泄露(这种泄露不可避免)，使理论计算的泄放开口截面偏大，实际工作的泄放开口截面需要根据试验情况修正，经过反复的试验才能逼近目标值。这种试验需要耗费较长的时间，且当系统产生扰动或环境条件有变化时，试验结果将有差异。

3.2 闭环控制试验

采用全程闭环PID控制方法，系统开始工作时，即进入舱室超压PID控制模式，程序在每个计算周期根据当前值与目标值的差值，进行比例、微分、积分计算，对泄放孔截面进行调节，将舱室的超压数据绘制成实时曲线图，得到图7。

由图7可见，采用全程闭环PID控制方法，开始建压后，超压迅速上升达到波峰值(约30 s)，之后再经历波谷、波峰后，在横向4格(约80 s)的时间后超压趋于稳定。超压稳定值接近于目标值，在目标值附近小幅度波动。超压波峰值与目标值的偏差(超调量)约为10%，符合闭环系统的一般特性。

3.3 阶段控制试验

采用2.3中介绍的超压控制方法，系统开始后，依次经过阶段1、阶段2、阶段3，将舱室的超压数据绘制成实时曲线图，得到图8。

由图8可见，采用阶段控制方法，结合了开环控制和闭环控制的优点。开始建压后，超压迅速上升达到波峰值(约45 s)，之后再经历波谷、波峰后，在横向3.5格(约70 s)的时间后超压趋于稳定。超压稳定值接近于目标值，在目标值附近小幅度波动。超压波峰值得到有效抑制，超调量约为6%的偏差，相对于图7中的情况有所改善。

4 结论

基于超压反馈进行超压调节是本系统工作的通用做法，合理的超压控制策略能够快速稳定建压，减少振荡。所提出的阶段控制方法能够较好地综合开环控制、闭环控制的优点，实现快速建压，有效抑制超调。需要指明的是，由于要求泄放孔截面积可调节，所以其最大截面积应大于理论计算值，另外控制器的PID参数需要根据试验确定最优值。

[1] 喻俊峰，杨海燕.舱室超压建立的物理模型分析[J].船海工程,2016,45(2):109-111.

[2] 杨叔子，杨克冲.机械工程控制基础[M].5版.武汉：华中科技大学出版社,2005.

[3] 林芃，王吉，包剑，等.水面舰艇集体防护系统PID控制分析[J].中国舰船研究，2015，10(4)：118-124.

[4] 方勇.舰船集体防护系统超压及其波动分析[J].舰船防化，2013(3)：48-51.

[5] 方勇.舰船集体防护系统增压建立分析[J].船海工程,2013,42(4):112-113.

[6] 李光.舰船密闭区域气密特性研究[J].中国舰船研究，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

国家部委基金资助项目

杨海燕(1976—)，女，硕士，高工

研究方向：船舶总体设计

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0037-04

修回日期：2017-03-27