一种水下脱险快速加压装置的控制实现

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随着深海作业的不断发展，水下脱险装置的研究越来越受到人们的重视。国内外对水下脱险装置早有研究，比如前苏联的应急救生舱，该救生舱在水下作业体失事时可与母体分离，自行漂浮至水面。但该型救生舱存在不能与母体脱离不-定成功的问题，且设计复杂，不能起到很好的救生效果 lj。所研究的快速加压法是现代大深度水下脱险的-种主要方式，其主要原理如下：当作业人员需要出水上浮时，可以进人快速加压舱，此时舱内为-个大气压。当快速加压开始时，进水闸阀打开，海水快速注人舱内，直到舱内外压力平衡。然后经过-段时间的稳压，舱门打开，作业人员开始自由上浮至水面。整个脱险的加压过程时间很短，人员暴露在高压的时间亦很短，而 自由上浮又属于快速减压过程，故可以避免人员减压病的发生，并确保人身安全 。

快速加压过程中，要求压力必须按照目标曲线上升，实现快速，准确的加压过程，是研究的核心问题，这也关系到作业人员的生命安全。参考水下作业条件以及国外的设计经验 j，可选用气动调节阀作为本系统的核心控制元件。

图 1中元件 1、8为手动截止阀，分别起到排水与排气的作用；元件 2为逃生舱，容积为 1.5 m ；元件 3为流量计，检测加压时水的流量；元件 4为气动调节阀；元件5为深海模拟装置，容积为75 m。；元件6为连接软管；元件7为消声器；元件9为压力传感器。

5 4 3 2 1图 1 系统组成图本系统加压过程描述如下：深海模拟装置负责提供的恒定深海压力，加压开始时，通过调节阀门的开度，使逃生舱内压力按照目标曲线上升，直到与深海压力平衡，保压-段时间后加压实验结束。

2 控制系统设计及控制方法实现根据以上设计的加压系统和工作要求，设计出如图2所示控制系统图。

图2 控制系统图收稿日期：2013.12-28作者简介：李绍安(1979- )，男 ，湖北武汉人，博士研究生，主要从事自动化控制方面的研究工作。

18 液压与气动 2013年第7期2.1 加压过程的仿真研 究参考国外设计经验，加压过程中，当舱内压力 3～4 s增加-倍，整个过程无振荡，无超调，误差率小于5%时，人体血液中融人的有害气体较少，且脱险成功率较高 J。本研究模拟深海 240 m环境，以最快的加压情况(舱内压力3 s增加-倍)为例进行研究。由于计算机数字控制具有控制速度快、控制精度高、能够实现复杂算法等特点，因此被现代工业控制广泛采用。

基于以上系统硬件，系统的控制方法首先考虑经典的PID控制方法。

由于本系统的动态响应速度要求较高，积分环节虽能减少系统的稳态误差，但会引起系统的滞后，因此在本控制系统中不加入积分环节，采用比例微分控制。

加大控制器增益 ，可以提高系统的开环增益，减小系统稳态误差，从而提高系统的控制精度。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。本系统由于存在有较大惯性组件(逃生舱)和滞后组件(气动调节阀)，系统在克服误差的调节过程中会出现振荡甚至失稳，且系统的变化总是落后于误差的变化♀决此问题的办法是使抑制误差的作用超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。目前解决方法是增加微分环节，它能预测误差变化的趋势。本系统应用比例微分控制器(PD控制器)，能够使阀门提前作用，从而避免了被控量的严重超调 J。PD控制器仿真效果如下图3。

- 实际压力曲线×10-1 -理论压力曲线0 10 20 30 40时间图3 仅有比例环节的仿真效果图图3是单纯的比例控制仿真曲线，由图可知，振荡较为严重；图4是添加了微分环节的仿真曲线，曲线有明显改善，但是仍有较小的波动，且曲线呈阶梯状，这- 实际压力曲线×10-1 -理论压力曲线25O 10 2O 3O 4O时间眺图4 添加了微分环节的仿真效果图在快速加压实验中是不允许的。究其原因，是气动调节阀都有滞后的特性，由于阀门的滞后作用，单纯的PD算法是不能满足控制精度要求的。

阀门的滞后可以由添加补偿信号解决。国外比较经典的补偿法是 Hagglund5 于2002年提出的Knocker脉冲补偿法 ，该补偿法是 当前最好的迟滞补偿法。

Knocker信号由-系列的脉冲信号组成，由幅值 口，相邻脉冲时间间隔h ，脉冲宽度 组成。添加了脉冲信号的控制回路如图5所示：图 5 带有脉冲补偿的控制 回路图5中，脉冲信号 (t)由输出信号 (t)变化率决定， k(t)可由下列公式计算得到 J：：。 sign[ c( ·)- c( 。)] ≤ 。 下0 tl≥ t0hk丁(1)式中，t。为前-个脉冲开始时刻；，为后-个脉冲信号的开始时刻。脉冲信号三个参数可以根据以下经验公式确定：口d/2，hk：5 h， 2 h (2)式中：d为迟滞带，近似等于控制器输出曲线波峰值与波谷值之差；h为采样时间。

加入脉冲信号后，输入控制信号如图6：皿l趔垒-<密詈时间图 6 带有 Knker信号的输入信号综上所述，脉冲信号补偿原理如下：补偿信号可以使阀门的位置提前发生变化，阀门位置的变化会随着补偿信号的变大而变大。实际操作中，脉冲补偿信号的大小由阀门输入曲线的变化率决定的，因此添加补偿信号可以使阀门在正确的方向上提前动作，达到预期要求。本系统中阀门选用某公司生产的创普斯气动流量调节阀，型号为 LD600P23063123x13203，通径为150 mm，开关频率0.3 Hz，根据阀门特性建立仿真模型，图7为加人脉冲信号后的仿真曲线，由曲线可知，阀门的滞后引起 的振荡基本消除，控制精度达到要求。

2013年第7期 液压与气动- 实际压力曲线时间f/s图7 带有 Knocker信号的仿真曲线2.2 实验结果验证结合脉冲补偿法，得到快速加压试验曲线如图8所 不 ：图8 快速加压实验曲线由图8看出，曲线跟随较好，除实际曲线在压力转折点偏离实际曲线较大以外，其余跟随性良好。由于救生舱内压力不断升高，且与深海模拟系统压差不断缩小，流量因而减小，故在转折点会出现实际压力略小于理论压力的情况，但在允许的误差范围内，故本控制策略设计合理，满足精度要求。

3 结论本文介绍了-种水下脱险快速加压实验装置。由于该实验装置具有快速性、准确性的特点，需要有较高的响应速度和控制精度。根据实际需要，设计了快速加压控制系统，经过仿真研究和现场实验，对传统的PID算法进行了改进，添加了脉冲补偿，使系统的控制精度达到设计要求，这对于现代深海逃生系统研究具有-定参考价值。