远距离救生舱室供排气系统仿真分析

2020-07-14霍文军刘庆同尹方龙

液压与气动 2020年7期

邹军, 霍文军, 阮炜, 刘庆同, 尹方龙

(1.武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430205; 2.海军研究院，北京 100073;3.北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100124)

引言

潜水器自问世以来就被世界各国重视而得到快速发展。每年都有水手搭乘军用潜艇在海面下穿行；商业潜水员在建设或维修海底输油管道、通信电缆和石油钻塔；潜水爱好者以探寻海底奥秘为乐；科研人员潜入深海进行科学研究[1-2]。然而，由于潜水器自身技术复杂性和运行环境的恶劣性，世界各国于非战斗海损造成失事沉没的潜水器数量达到170艘以上[3-5]，甚至有资料表明高达287艘[6]。因此，加强援潜救生手段与技术的研究是绝对必要的[7]。失事潜水器一般在自救方式失败或不具备自救条件的情况下采取外部援救方式挽救艇员生命。失事潜水器供排气系统作为一种重要的外部援救方式，主要有三种功能：一是可对失事潜水器救生舱室提供通风换气功能，改善艇内生存条件，延长待救艇员生命自持时间；二是在带压救援时对失事潜水器救生舱室进行可控的减压，降低高压暴露对幸存者的生理影响，为后续自救行动或外救行动的开展提供条件；三是通过功能扩展可对失事潜水器提供应急供电、应急吹除高压气供气、应急视频通讯等技术手段，为失事潜水器自起浮提供外部支持。由于具有上述众多应急支持功能，失事潜水器供排气系统成为国内外大力研究和发展的重要援潜救生装备。

本研究开发了一种失事潜水器救生舱室供排气系统，该系统有常压通风和减压脱饱和两种工作方式：常压通风工作条件是当救生舱室内压力为正常压力时，救生舱内处于通风换气状态，使舱内氧含量满足人体需求；减压脱饱和是当救生舱内压力超过正常水平时，调节救生舱供排气系统，使舱室内部压力可控降至常压。

一些学者针对气动系统压力控制进行了研究，巴少男等[8]基于AMESim和MATLAB/Simulink联合仿真，对气动伺服系统进行了研究，结果表明模糊PID控制改善了气动伺服系统的响应性能。张远深等[9]通过AMESim仿真软件对氢能源汽车中高压气动减压阀的稳定特性进行了分析，结果表明带有先导稳定流量器的高压气动减压阀在高压化减压时，其出口压力稳定，压力振荡小，动态响应快。然而，目前国内外关于救生舱室供排气系统动态特性的仿真研究较少，尤其是针对不同控制算法对系统工作性能影响规律的研究鲜有涉及。

1 救生舱室供排气系统工作原理及物理模型

供排气系统由救生舱室、应急供气中压气站、供气管路、电动调节阀、排气管路、真空缓存罐、真空机组及其他辅助单元组成，系统原理图如图1所示。救生舱室供排气系统供气端，供气端以压力为20 MPa中压气站压力为供气系统的压力源部件；高压气体由中压气站经管路至气动稳压阀压力降至4.5 MPa，后端经过电动调节阀调节压力，使救生舱室内压力保持恒定，调节阀与救生舱室之间由400 m或800 m的脐带连接，脐带直径为20 mm。救生舱室供排气系统排气端: 救生舱室后端接长度为400 m或800 m、直径为40 mm的脐带，并与排量为2200 m3/h的真空机组相连，其前接体积为1 m3的真空缓存罐；真空缓存罐前端连接电动调节阀调节阀口开度，使救生舱室内压力的变化率满足要求。

常压通风工况下，排气调节阀全开，通过调节供气调节阀开度控制救生舱室内压力，使其满足要求；减压脱饱和工况下，供气调节阀关闭，通过调节排气调节阀开度控制排气速率，使其满足要求。救生舱室应急供气中压气站视为理想压力源，气源到救生舱室的整个管系用1根等效长度为LD，等效直径为D的管路代替，忽略救生舱室对气体的阻碍作用，将其视为一个大气室，建立救生舱室供排气系统简化物理模型，如图2所示。

2 基于AMESim救生舱室供排气系统建模分析

建模过程中，为了简化系统模型，省略了一些对系统运行没有影响的压力表、开关阀及过滤器等，并将中压气站简化为理想压力源。救生舱室供排气系统的AMESim模型如图3所示。系统能较好的反应救生舱室供排气系统的工作原理和运行中需要考虑的问题，从而可以利用这一模型对救生舱室供排气系统进行仿真和动态特性分析。图中的实线表示连接的管路，粗实线表示考虑了管路的长度、管径、粗糙度和管路复杂流态等特性，虚线表示只起形式上的连接作用。

图1 潜水器舱室供排气系统原理图

图2 潜水器救生舱室供排气系统物理模型

图3 救生舱室供排气系统的AMESim模型

3 救生舱室供排气系统控制算法

3.1 普通PID控制器

PID控制器是最早发展应用的经典算法之一，PID控制算法结构简单、易于控制、精度较高，在各个行业的控制中得到广泛应用。PID控制的原理是将输入与输出的偏差进行比例(P)、积分(I)和微分(D)，然后将它们线性组合成控制量，对被控对象进行控制[10-13]。根据救生舱室的控制特性，调整PID控制器的3个参数就可以满足控制要求，从而起到对救生舱室内压力控制的目的。在Simulink中建立PID控制器模型，将救生舱供排气系统的AMESim模型嵌入Simulink进行联合仿真[14]，仿真模型如图4所示。

图4 PID控制器的Simulink模型

3.2 基于模糊整定的PID控制器

模糊控制的基本原理是将误差E和误差变化量EC作为输入，经过模糊化、模糊推理、清晰化后，得出控制参数的变化量ΔKp，ΔKi，ΔKd[11]，PID控制器根据变化量按照式(1)计算Kp，Ki，Kd，输出给控制系统[15-17]。建立模糊控制的AMESim和Simulink联合仿真模型，仿真模型如图5所示。模糊控制模糊规则表如表1～表3所示。

图5 模糊PID控制器模型

Ki=Ki0+ΔKi

Kd=Kd0+ΔKd

(1)

式中，Kp为经过模糊化处理的比例系数；Ki为经过模糊化处理的积分系数；Kd为经过模糊化处理的微分系数；Kp0为比例初始值；Ki0为积分初始值；Kd0为微分初始值； ΔKp为比例参数调整值； ΔKi为积分参数调整值； ΔKd为微分参数调整值。

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表1 Kp模糊控制表

表2 Ki模糊控制表

表3 Kd模糊控制表

4 仿真结果分析

4.1 通风置换

对救生舱室通风置换条件进行仿真分析，舱室内压力为0.1 MPa，救生舱室容积取800 m3，舱室排气流量为50～300 m3/h。此时，排气调节阀全开，供气调节阀根据压力检测值及压力控制目标实时调节开度，供气调节阀芯运动速度为0.9 mm/s，阀座尺寸为20 mm，对脐带长度分别为400 m和800 m两种工况进行分析，工况1脐带长度为400 m，工况2脐带长度为800 m，仿真时长1000 s，仿真精度0.01 s。

图6为工况1、工况2中救生舱室内压力动态变化曲线，由图中可以看出：对于工况1，2，相同的PID参数均可以使救生舱室内的压力p稳定在0.1 MPa左右。工况1中，模糊PID调整相比较普通PID而言，可以更早的趋于稳定，响应速度更快，控制精度更高。适用于工况1的PID参数同样也适用于工况2，但是模糊PID的响应速度并没有比常规PID的效果好，但是其控制精度要高。脐带长度对救生舱室压力稳定有一定的延时作用，脐带越长，救生舱室压力稳定时间越靠后。

图6 救生舱室内压力变化曲线

图7、图8分别为工况1及工况2中救生舱室供排气气体质量流量动态变化曲线，由图中可以看出：对于工况1，救生舱室供气气体质量流量Q最终稳定在47.18 g/s，救生舱室排气气体质量流量最终稳定在45.4 g/s。对于工况2，救生舱室供气气体质量流量最终稳定在33.92 g/s，救生舱室排气气体质量流量最终稳定在32.63 g/s。

图7 工况1供排气气体质量流量动态变化曲线

图8 工况2供排气气体质量流量动态变化曲线

图9、图10分别为工况1及工况2中电动调节阀阀芯位移x及速度v动态变化曲线。图9中可以看出，工况1中，阀芯位移稳定在0.9 mm处；工况2中，阀芯位移稳定在0.66 mm处。图10中可以看出，阀芯以正负0.9 mm/s来回运动，最终停止。由于PID控制是差值控制，仿真并未设置目标阈值，且仿真条件较为理想，所以电动调节阀阀芯即使在舱室压力稳定的情况下仍然出现微动，此时可视为阀芯已停止运动。工况1，2中，模糊PID控制的阀芯速度均比常规PID控制的阀芯速度要晚停下来，但是从救生舱室压力曲线可以看出，模糊PID对比常规PID而言，响应速度及控制精度要好。

图9 电动调节阀阀芯位移动态变化曲线

图10 电动调节阀阀芯速度动态变化曲线

4.2 减压脱饱和

减压脱饱和，救生舱室内初始压力0.5 MPa，其减至0.3 MPa并稳定一段时间，再减到0.1 MPa并继续稳定一段时间。救生舱室排气流量：50～300 m3/h。此时，排气调节阀全开，供气调节阀根据压力检测值及压力控制目标实时调节开度，供气调节阀芯运动速度为0.9 mm/s，阀座尺寸为20 mm。舱室容积796 m3，对脐带长度分别为400 m和800 m两种工况进行仿真分析，工况3脐带长度为400 m，工况4脐带长度为800 m。

图11为工况3、工况4在减压通风时救生舱室内压力动态变化曲线及其保压阶段局部放大图，从图中可以看出救生舱室体积为800 m3、脐带长度为400 m时，救生舱室压力由0.5 MPa减至0.3 MPa经过约12783.6 s，再由0.3 MPa减至0.1 MPa经过约23457.6 s。由于压差逐渐变小，减压过程并不是线性的。脐带长度为800 m时，救生舱室压力由0.5 MPa减至0.3 MPa经过约18097.1 s，再由0.3 MPa减至0.1 MPa经过约34012 s，减压过程也不是线性过程，而是一个越来越慢的过程。从图中也可以看出模糊PID在系统压力调控过程中，相比常规PID而言均有较快的响应速度及较高的控制精度。

图12分别为工况3、工况4救生舱室供排气气体质量流量动态变化曲线及其放大图，由图中可以看出：对于工况3，救生舱室压力在0.5 MPa时，供气气体质量流量最终稳定在138.8 g/s，排气气体质量流量最终稳定在133.97 g/s；救生舱室压力在0.3 MPa时，供气气体质量流量最终稳定在87.2 g/s，排气气体质量流量最终稳定在94.4 g/s；救生舱室压力在0.1 MPa时，供气气体质量流量最终稳定在39.83 g/s，排气气体质量流量最终稳定在52.25 g/s。对于工况4，救生舱室压力在0.5 MPa时，供气气体质量流量最终稳定在97.72 g/s，排气气体质量流量最终稳定在94.4 g/s；救生舱室压力在0.3 MPa时，供气气体质量流量最终稳定在61.6 g/s，排气气体质量流量最终稳定在66.59 g/s；救生舱室压力在0.1 MPa时，供气气体质量流量最终稳定在28.61 g/s，排气气体质量流量最终稳定在37.66 g/s。

图11 工况3，4在减压通风时舱室内压力动态变化曲线及其保压阶段局部放大图

图13为工况3、工况4中电动调节阀阀芯位移动态变化曲线及其放大图，从图中可以看出，工况3中，0.5 MPa 保压点处阀芯位移稳定在3.14 mm处；0.3 MPa 保压点处阀芯位移稳定在1.67 mm处；0.1 MPa保压点处阀芯位移稳定在0.77 mm处。工况4中，0.5 MPa 保压点处阀芯位移稳定在2.19 mm处；0.3 MPa保压点处阀芯位移稳定在1.19 mm处；0.1 MPa保压点处阀芯位移稳定在0.55 mm处。对比稳态仿真可以看出，系统稳定在0.3 MPa及0.1 MPa处时的阀芯位移均比动态仿真相同保压点处的阀芯位移要大。