基于AMESim的機組氧氣系統仿真研究

萬書婷

【摘 要】機組氧氣系統對控制的精度、速度和穩定性都有很高的要求，本文通過AMESim軟件對機組氧氣系統控制進行仿真和優化，通過增加PID控制器使系統的響應時間和系統穩定性有了大幅度的提升，并且實現起來簡單易行，在未來機型上有很好地應用前景。

【關鍵詞】機組氧氣系統；氧氣面罩；AMESIM軟件；PID控制

0 引言

飛機氧氣系統在艙內壓力高度超過設定值或艙內著火、有煙霧時為乘員提供生命活動必要的氧氣。因為供氧對象和需求不同分為機組氧氣系統、旅客氧氣系統和便攜式氧氣設備。旅客氧氣系統因供氧時間短多為化學氧；機組氧氣系統按適航要求需要2H以上供氧，因此需要氧氣瓶持續供氧。

按照AC25-20中對生理極限高度的定義：人類對高度增加的反應因人而異，在相當低的高度，抽煙或健康狀況欠佳人員會先于年輕和身體健康人員出現影響反應，如果沒有氧氣輔助，多數人員會開始經歷夜視能力減弱現象，而正常視覺敏感度是在約5000英尺高度，在大約10000英尺高度上，經歷幾個小時之后，人員會開始表現出智力敏感度和體力靈巧度減弱，在18000英尺，智力減弱會引起神志不清，有效清醒時間（TUC）約為15分鐘，在25000英尺，多數人員的TUC約為3-10分鐘，在25000英尺以上高度，TUC快速降低，在40000英尺，就只剩幾秒鐘了。然而，如果一人呼吸的是100%的氧氣，在34000英尺高度，肺內局部氧壓與在海平面呼吸空氣時相同，在40000英尺，呼吸100%的氧氣，肺內局部氧壓與在10000英尺呼吸空氣時相同，所以，34000英尺為人體組織缺氧完全防護的最高高度，40000英尺為100%吸氧人身防護最高高度，必須在有限的時間降低到安全高度。

通過人體在不同高度對氧氣的需求分析以我們可以發現隨著氣壓高度和自身條件的不同對氧氣濃度和壓力有著不同的需求，但現有氧氣設備在佩戴時即為飛行員提供100%濃度的加壓氧氣，從經濟性和科學性上還有待優化。如果能按外界氣壓高度不同和飛行員不同場合需要為機組人員提供不同工況的氧氣，會極大減輕氧氣系統重量，提升飛機經濟性。但作為實現的基礎，氧氣系統精確控制方面研究還處于起步階段，氧氣系統數學建模存在空白。

本文針對機組氧氣系統的氧氣面罩容積、供氧人數及執行器件等均對系統穩定性造成影響的問題，依據實際控制方案采用電機工作原理和質量守恒原理通過合理簡化創建由輸入電壓到面罩內氧氣濃度的數學模型。模型的建立為系統精確控制氧氣供給的實現以及控制算法的優化提供試驗基礎。

機組供氧系統用于在應急情況下為機組成員提供必要的氧氣，因此，系統需要有很快的相應速度和極佳的穩定性，在AC25-7A中要求，當座艙高度超過10000ft后，機組成員的反應時間為17s，佩戴氧氣面罩時間為5s。因此，機組氧氣系統從開始相應到氧氣面罩壓力和濃度滿足要求的時間最大不能超過5s中，在普通的控制過程相應速度和穩定性要求很難滿足機組氧氣系統要求。本文采用PID控制器控制系統的響應速度加快、調節精度提高、穩定性變好，系統的過度時間短。顯著特點就是，PID控制器在系統參數發生變化時仍能表現出良好的控制性能指標，自適應能力強，這在實際的工程應用中具有重大意義。

1 機組氧氣系統建模

機組氧氣控制系統可通過對外側環境的實時監控，按既定控制邏輯對氧氣瓶出口的調節閥進行調節以控制氧氣釋放速度，保證為機組提供不同濃度和不同壓力的氧氣。

機組氧氣控制系統框架如圖1所示。本文針對該框架進行建模。

首先對氧氣面罩進行建模。將氧氣面罩假設成為一個含有輸入輸出的密閉容器。氧氣輸出入形式為閥門釋放，輸入速度為Q1；輸出形式為人體呼吸消耗，輸出速度為Q0。面罩內容積為V，初始氧氣濃度為1，二次檢測濃度為2，根據質量守恒在飛機上機組氧氣系統供氧采用壓縮供氧方式，氧氣從氧氣瓶中通過調節器為機組提供必需的氧氣。氧氣瓶同面罩間壓差恒定的前提下通過控制閥瓣的開度控制氧氣攝入面罩內的進氣量同活門開度成正比，若飛行員狀態正常，呼吸恒定，呼吸所消耗的氧氣速度會在很定的區間內浮動。

2 基于AMESim的氧氣控制系統控制器設計

AMESim提供了一個系統工程設計的完整平臺，使得用戶可以在一個平臺上建立復雜的多學科領域系統的模型，并在此基礎上進行仿真計算和深入的分析。

根據機組氧氣系統實際工作情況建立系統模型如圖2所示。用到的庫有機械庫、信號庫、控制系統庫和氣動庫。本文以某型飛機為例模擬機組氧氣系統模型，該型飛機最大飛行高度39800ft，飛行員需在座艙高度大于10000ft后佩戴氧氣面罩，機組氧氣系統由加壓氧氣瓶直接供氧，氧氣瓶容積為77ft3，瓶內壓力為2200Psig。圖2是機組氧氣系統仿真模型。直接仿真可得到沒有經過PID校正過的壓力變化曲線，面罩內的壓力變化曲線如圖3所示。

由圖3可見，未經PID校正的面罩內壓力是一個穩點上升的過程，其上升過程較為緩慢，可在10s左右達到穩定狀態，但在實際過程中，飛行員需要在佩戴氧氣面罩的同時獲取足夠壓力和濃度的氧氣保證飛行員以足夠清醒的狀態完成飛機操控任務。因此，我們在仿真系統中增加PID控制以減少系統達到穩態的時間，系統校正模型如圖4所示，其中KP=200，KI=0.4，KD=0.2，對其仿真得到校正后的壓力變化曲線，如圖5所示。從圖5可以看到經過PID控制后面罩內壓力到達穩態的時間由原先的近10s中減少到少于1s，在實際飛行過程中飛行員從摘取氧氣面罩到佩戴氧氣面罩全過程用時5s，因此在加入PID控制以后，通過PID控制的快速性與穩定性保證氧氣系統可滿足飛行員的需求。

3 總結

利用 AMESim對 PID 控制機組氧氣系統進行了模擬仿真，仿真模型直觀地、方便地反映了系統工作的動態特性。通過加入PID控制提升控制的響應速度和穩定性，幫助飛行員能夠在最短時間內獲取足夠壓力和濃度的氧氣，在極限狀態下使飛行員有足夠氧氣保證在清醒的狀態下完成各種飛機姿態操作。

【參考文獻】

[1]AC25-7A.咨詢通告[R].

[2]AC25-20.咨詢通告[R].

[3]付永領，等.AMESim系統建模和仿真[M].北京航空航天大學出版社，2006.

[4]秦家升，游善蘭.AMESim軟件的特征及其應用[J].工程機械，2004（35）.

[責任編輯：侯天宇]