2 壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
下面結(jié)合某型系留氣球的實(shí)際工程設(shè)計(jì)，簡要介紹一個(gè)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例。
2．1 硬件設(shè)計(jì)
由于系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)多傳感器輸入、多執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的復(fù)雜系統(tǒng)，硬件設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)、傳感器選型、輸入／輸出接口設(shè)計(jì)等電性能指標(biāo)，更重要的是必須考慮安全性設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)等方面，同時(shí)還要兼顧考慮遠(yuǎn)程下載程序的設(shè)計(jì)、有效載荷系統(tǒng)等多方面因素的影響。系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的硬件設(shè)備分布在球上和球下兩部分。兩部分設(shè)備通過系留纜繩中的光纖和無線通訊設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
首先要確定的是壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)的選擇。由于球上有大量的傳感器設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接口眾多，而且考慮到遠(yuǎn)程更新程序的需要，故選擇基于PC104總線架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)通訊機(jī)制和VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的雙冗余計(jì)算機(jī)作為球上信息處理平臺(tái)。該平臺(tái)具有方便集成開發(fā)，可靠性高，體積重量小，支持遠(yuǎn)程下載程序等特點(diǎn)，非常適合作為球上設(shè)備平臺(tái)使用。相對球上而言，球下的設(shè)備相對單一，僅為一臺(tái)6U結(jié)構(gòu)的CPCI計(jì)算機(jī)提供氣球測控系統(tǒng)的人機(jī)界面。
傳感器是壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中輸入信息的重要來源，其中可能使用到差壓傳感器、風(fēng)速風(fēng)向儀、三維姿態(tài)傳感器、GPS／北斗機(jī)、纜繩拉力傳感器、溫濕度傳感器等不同類型的傳感器。在傳感器設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)從以下幾個(gè)方面權(quán)衡考慮：
(1)各傳感器的量程、分辨率、響應(yīng)速度等指標(biāo)要符合系統(tǒng)對被測量參數(shù)的要求；
(2)各傳感器的環(huán)境適應(yīng)性(包括溫濕度、海拔高度、氣壓、電磁環(huán)境等)；
(3)各傳感器的輸出量優(yōu)選數(shù)字信號(hào)，且通訊接口優(yōu)選抗干擾能力強(qiáng)的RS 422或RS 485接口；
(4)各傳感器的供電、尺寸、體積、重量等指標(biāo)要合理。
即使對于使用系留纜繩內(nèi)光纖通訊的系統(tǒng)而言，無線通訊設(shè)備也是應(yīng)急時(shí)球上球下通信的重要保障。根據(jù)需要，其間傳輸?shù)募扔幸话愕目刂泼詈突仞伱?，也可能包括視頻監(jiān)控圖像，因此在選擇無線通訊設(shè)備時(shí)要綜合考慮通訊距離、頻段、帶寬、與負(fù)載設(shè)備的電磁兼容性等因素。同時(shí)還要根據(jù)氣動(dòng)總體輸入的氣球最大姿態(tài)偏移和位置飄移確定球上球下通訊天線的覆蓋范圍，以保證在極限情況下兩處通訊的正常進(jìn)行。通訊設(shè)備的天線一般遵循“球上全向，球下定向”的原則，保證通訊信號(hào)的有效重疊覆蓋。
電磁兼容設(shè)計(jì)是保證系統(tǒng)正常工作的重要前提，特別是球上設(shè)備中的整流／逆變電源，以及壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的機(jī)電設(shè)備、無線通訊設(shè)備、有效負(fù)載系統(tǒng)、空間電磁輻射和接地電阻大(甚至浮地)等諸多因素交織在一起，導(dǎo)致球上設(shè)備工作的電磁環(huán)境異常復(fù)雜，所以必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期就把電磁兼容設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程，從干擾源、干擾對象和干擾路徑三個(gè)方面分析人手，廣泛采用屏蔽、加裝磁環(huán)、地線單點(diǎn)等電位技術(shù)手段。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
考慮到通訊中斷等極端情況，除了系統(tǒng)工作在人工控制模式時(shí)，壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的絕大部分控制策略都是由球上計(jì)算機(jī)編制軟件完成的，所以球上壓力調(diào)節(jié)控制軟件既能進(jìn)行自主壓力調(diào)節(jié)控制，又能根據(jù)球下操縱臺(tái)的命令進(jìn)行控制。
控制軟件首先根據(jù)外部輸入的信息判斷當(dāng)前的工作模式。比如判斷纜繩斷裂必須同時(shí)滿足以下五個(gè)條件，否則不判定為纜繩斷裂：
(1)光纜通訊中斷時(shí)間大于某值(如：大于10 s)；
(2)纜繩拉力持續(xù)小于某值(如：持續(xù)10 s拉力小于100 kg)；
(3)球上降壓變壓器輸入端線電壓過低(如：三相電壓皆小于100 V)；
(4)主氣囊與外界大氣壓力差大于某值(如：100 mmH20)；
(5)在GPS正常的前提下，球體高度大于某值一定時(shí)間(如：超過10 s高于4 000 m)；
此時(shí)若判定纜繩正常，再根據(jù)當(dāng)前的通訊狀態(tài)判斷是進(jìn)入Ma1模式(纜繩正常、通訊正常)，還是進(jìn)入Ma2模式(纜繩正常、通訊中斷)。
當(dāng)準(zhǔn)確判定了壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)當(dāng)前的工作模式Mi后，控制軟件會(huì)根據(jù)當(dāng)前模式所需要的輸入條件逐一按照既定的邏輯函數(shù)表達(dá)式控制各個(gè)執(zhí)行件動(dòng)作。

3 結(jié) 語
本文介紹的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模方案能有效地將系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中使用到的復(fù)雜的輸入變量歸納分類，并通過明晰的函數(shù)表達(dá)式對應(yīng)到各個(gè)執(zhí)行器的控制中去，降低了軟件編制的復(fù)雜度，減少了錯(cuò)誤的發(fā)生。同時(shí)，文中描述的建模方法能夠方便地拓展到其他控制系統(tǒng)中，對控制系統(tǒng)的軟件編制具有有益的參考作用。硬件系統(tǒng)的搭建考慮了工程設(shè)計(jì)和實(shí)施的各個(gè)方面，具有較高的可靠性和良好的擴(kuò)展性?；谶@種控制模型設(shè)計(jì)的某系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，長期以來系統(tǒng)功能正常，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。