自動調節系統

早期，反饋控制系統常稱為自動調節系統，而用於分析和設計這種系統的經典控制理論常稱為調節原理。自動調節系統廣泛用於工業生產和國防技術中，例如温度、頻率和壓力調節系統等。

自動調節系統主要由調節器、調節閥、調節對象和變送器四大部分組成。

抽油機遊梁平衡自動調節系統

系統的組成與原理

抽油機遊梁平衡自動調節系統(圖1) 由機械系統和自動控制系統兩部分組成。機械系統由小車軌道和配重小車G1( 含步進電機) 組成。配重小車由小車外殼、步進電機、行星齒輪組、花鍵、蝸輪、蝸桿及行走齒輪等組成。自動控制系統由信號採集系統、驅動系統和顯示控制系統組成。

系統的設計

1、機械系統

當電機轉動時，電機的轉動轉矩通過行星齒輪組進行放大，並通過花鍵傳遞到蝸桿上，再通過齧合的蝸輪蝸桿副傳遞給蝸輪，使扭矩得到進一步的放大並改變其轉動方向。最後由蝸輪同時帶動兩個行走齒輪在固定在底座上的齒條上做往復運動，實現平衡小車的位移控制。

這種機械機構具有精度高、結構緊湊和衝擊載荷小的優點，充分利用了蝸輪蝸桿機構的自鎖能力，設計中把機構本身作為配重來節省成本和空間。

2、自動控制系統

自動控制系統由信息採集系統、驅動系統和顯示控制系統組成。在抽油機運行過程中，系統通過採集電壓、電流信號，對抽油機上下衝程的平均功率與平衡度進行運算和對比，判斷抽油機是否處於平衡狀態。當平衡度在0.85 ～1.15之間時，抽油機處於平衡狀態，此時系統無需調整;否則抽油機處於不平衡狀態，此時系統發出控制指令，驅動元件( 步進電機) 驅動配重小車移動到相對遊梁的指定位置來調整平衡扭矩，使抽油機的淨扭矩保持不變，重新達到新的平衡狀態。

控制系統為二十四小時工作制，即每24h系統調整平衡一次，每次20min。這樣既保證了抽油機基本在平衡狀態下運行，同時也克服了步進電機長期運轉的耗能問題和頻繁調節導致的電機和平衡小車易損壞問題。

解決了抽油機由不平衡而造成的耗能問題，節省了大量人力、物力。該系統可以獨立安裝在抽油機抽油系統中，也可以通過簡單的改造與其他節能系統( 如空抽節能控制系統、變頻節能控制系統等) 組裝成多功能節能控制系統，安裝在抽油機系統中，使節能效果更明顯，油田管理更方便。 ^[1] 

多囊體飛艇重心自動調節系統

系統組成及工作原理

飛艇重心自動調節系統主要由傳感器單元、執行設備單元、能源與供電單元、邏輯與控制單元等組成；其中，傳感器單元用來感知與測量飛艇飛行中的各種內部和外部的狀態，主要由用於測量飛艇大氣環境的大氣數據系統、測量各個囊體差壓的壓力傳感器、測量飛艇內外温度的温度傳感器、測量囊體體積得激光測距儀等組成；大氣數據系統還包括了大氣數據計算機、飛行空速管、總温傳感器等。執行單元住要由配置在各個副氣囊皇上的鼓風機、放氣閥門以及收集發動機尾流的集風罩上的閥門等組成，主要用來執行對各個氣囊儲存空氣容量的調節，以達到飛艇重心位置調節的目的，同時還可以作為飛艇壓力控制的備份手段。能源與供電單元，主要用於為系統提供可靠的能源與電力供應，其中能源與供電中的艇載主電源、艇載應急電源等是由飛艇平台統一考慮，與其他系統設備共同使用的。飛艇重心自動調節系統內部配備自己的系統保護電源，用於短時斷電是緊急數據保護。邏輯與控制單元主要用於系統的狀態檢測、邏輯判斷、按照規則控制輸出等，主要包括狀態檢測、數據處理、邏輯分析與判斷、控制與變換輸出等環節。其中的絕大部分功能由系統控制計算機和數據分析與處理設備來完成。

飛艇重心自動調節系統主要工作原理為通過調節飛艇本身多個副氣囊內部空氣的體積來增加或者減少距離飛艇重心一定距離處的空氣團組質量，從而達到調節飛艇重心位置的目的。通過傳感器組或者傳感器網絡來檢測飛艇飛行過程中的姿態、內部各個囊體的體積變化、內外部大氣的環境參數等來綜合分析與判斷當前飛艇的重心實時位置，通過與飛艇在當前環境和狀態下的理想重心位置來比較，得到的偏差作為自動調節系統控制器的控制輸入量；控制器通過與飛艇設計允許的重心控制範圍進行校核，從而給相關控制命令，對各個執行設備進行控制，比如通過不同副氣囊風機和閥門的開關配合，調整副氣囊的空氣體積，從而達到調節飛艇重心位置的目的。也可以參照飛機的主動重心控制方法，通過在飛艇前後囊體下佈置軟式燃油箱，用油泵和活門控制燃油的分佈來調節飛艇的重心位置；這種方式的缺點是需要重新設置分佈式軟油箱、配套的管路及油泵與活門等額外的裝置和設備，降低了系統的效率。重心自動調節系統控制原理如圖2所示。

系統硬件設計

1、控制器

自動調節系統控制器主要為控制計算機單元，基本功能是實時採集壓力、温度等各個傳感器數據，並對各數據進行濾波、補償、調整等相關處理，實時檢查判斷飛艇各設備包括測控系統各傳感器的工作狀態；根據採集原始數據及系統狀態調用相應的控制算法實現飛艇重心位置的自動調節與控制；原始數據實時記錄並通過與光端機或數傳設備的接口將數據傳輸給艇載飛行控制計算機或者傳輸給測控鏈路設備直接下傳到地面處理；實現飛艇風機、閥門、人工或自主控制。主要由嵌入式計算機模塊，通信擴展模塊、計算機接口模塊、電源管理模塊、輸入輸出接口驅動模塊、端口譯碼模塊、時序產生模塊、控制執行模塊、狀態/故障採集模塊、BIT自檢模塊等組成。

嵌入式計算機模塊：採用嵌入式MSM586SEV PC104計算機或586Core計算機模塊，它主要由CPU、RAM、嵌入式的BIOS、鍵盤和蜂鳴器接口、兩個RS-232C串口、一個雙向的並口、軟盤驅動控制器、IDE硬盤控制器組成。在其上固化軟件，主要完成狀態故障採集、控制執行、通訊處理等功能。

通信擴展模塊：採用多塊嵌入式多串口卡，提供多個獨立可編程與配置的RS-422/485/232串口，用來實現在多任務操作系統的控制下，實現長距離、穩定可靠傳輸，實時響應大數據量的嚴格要求。模塊輸入輸出的全隔離使得系統更加安全可靠。

計算機接口模塊：是FPGA功能的一部分，負責與計算機總線接口，使得測控接口插件軟件系統可直接訪問外設，完成控制信號的輸出與故障、狀態信號的讀入。

端口譯碼模塊：計算機軟件系統是通過訪問外設的方式與硬件系統進行信息交互的，端口譯碼模塊根據計算機的地址線信號產生相應的外設片選信號，使得計算機通過共用計算機總線訪問多個外設成為可能。

狀態/故障採集模塊：狀態/故障採集模塊完成系統各故障、狀態檢測點信息的採集、冗餘判斷、故障與控制輸出信號的相關等，同時將故障、狀態信息鎖存在不同的外設端口供計算機讀取。

時序產生模塊：時序產生主要是對計算機信號進行分頻和計數，產生系統所需要的相應的時鐘信號等。並能夠對採集、轉換、通訊等工作提供統一的時鐘。

控制執行模塊：控制執行模塊完成解析計算機的端口操作、各控制輸出時序的相關等，最終輸出控制電平、脈衝至相應的控制設備，完成遙控動作。電源管理模塊：電源管理模塊主要由電流傳感器、繼電器、AD等構成，其根據遙控指令或自主控制指令完成任務電源、風機電源、閥門電源的控制，完成飛艇匯流條電壓、電流、應急電源電壓、電流等信息的監測。

輸入輸出接口驅動模塊：輸入輸出接口驅動模塊負責與各種狀態檢測設備、檢測點連接，實現不同電平、功率、速度等信號之間的轉換、驅動、隔離等。方便通過數據總線獲取大量故障、狀態信息，增強了輸出驅動能力，提高了控制的可靠性。

2、傳感器組

飛艇在空中飛行過程中，可能遭遇各種惡劣的天氣的考驗，温度範圍變化大，飛艇姿態處於隨即變化中。同時，飛艇作為通用航空平台可能搭載雷達、通信、偵察、對抗等多種電子任務載荷，會產生較強的、寬頻段的電磁信號和其它電磁信號的干擾，因此要求飛艇選用的傳感器必須具有足夠穩定性而牢固性，必須能提供穩定高精度的測量能力；必須能夠長時間暴露在極端環境下、經受大量的極端氣温濕度變化和不利於高精密作業的其它各種因素的考驗。

1）温度傳感器

選用MT-WDT温度變送器，該產品是一款高度集成的温度傳感變送器，提供全標定的數字輸出。

其主要性能指標如下：

供電電源：9～32VDC；

功耗：<20mW（平均值）；

測量範圍：-40～+70℃ ；

測量精度：≤±0.3℃（@25℃），最大誤差≤±1.0℃（@-40℃）；

工作温度：-40～70℃ ；

輸出信號：RS485。

2）微差壓傳感器

飛艇的壓力調節是飛艇能否順利放飛與穩定工作的關鍵，氦氣囊、副氣囊、尾翼氣囊、整流罩器囊與外界的差壓在飛艇的不同狀態下需維持不同的值，必須要精確測量各氣囊與大氣壓的差壓，結合測量的温度值進行修正，根據飛艇不同狀態下的控制算法，能通過控制風機、閥門調節使壓差維持在一定的水平。飛艇的重心位置調節主要是通過控制前後不同位置的副氣囊衝入空氣的總體積，從而改變副氣囊空氣重量來實現的，為此各個氣囊的壓力也是重心自動調節系統需要重點關注的數據之一。霍尼韋爾的精密微差壓傳感器基於先進硅壓阻技術，在全温度範圍內具有優異的重複性和穩定性。廣泛應用於發動機測試校驗、飛機制造廠測試校驗、實驗室參考標準、壓力測量和標定、氣象儀器、氣壓計和雨量計、航空儀表、環境監測等領域。其主要性能指標如下：

電源：5.5～30V；

電流：11mA（待機），17～30mA（依不同指令）；

温度：-40℃～+85℃ ；

精度：±0.05%FS；

分辨率：百萬分之10；

量程：0～703mmH₂O；

長期穩定性：0.025%FS。

3）大氣數據系統

大氣數據系統主要用來接收飛艇總、靜壓受感器（空速管）和大氣靜温傳感器感受外界的總壓、靜壓、大氣靜温，經過轉換、計算，然後以RS-422總線數字量形式輸出氣壓高度Hp、指示空速Vi、真空速Vt、大氣總温Tt、大氣靜温Ts、升降速度HR等大氣參數信息，供飛艇其它系統使用。大氣數據系統選用某型大氣數據計算機、配套空速管及總温傳感器組成。其主要性能指標如下：

電源：22V～31V，額定功耗：小於5W；

氣壓高度Hp：範圍：-400m～10000m；

誤差：≤±25m；

指示空速Vi：範圍：60km/h～500km/h誤差：≤±8km/h；

真空速Vt：範圍：60km/h～500km/h誤差：≤±9km/h；

升降速度HR：範圍：-20m/s～20 m/s；

誤差：≤±1.5m/s；

靜温Ts：範圍：-60℃～99℃ ；誤差：≤±1.5℃ ；

總温Tt：範圍：-60℃～99℃ ；誤差：≤±1.5℃。

4）激光測距儀

為了更好的選擇對不同副氣囊的控制策略，需要對各個囊體當前的體積進行測量，通過選用收發一體的激光測距儀實現這一功能。儀器發射激光束來測出距離，通過與囊體最大直徑進行對比來得到當前各個氣囊的體積。通過一束激光反射，使得精確、無接觸式長距離測距成為可能。

3、執行機構

1）空氣閥門

副氣囊空氣閥門主要用於將副氣囊中的空氣放出，為內部氣體的流出提供良好的通道，以降低氣囊的壓力。測控系統通過控制電動結構的放出與收回實現閥門的開啓和關閉，控制的準則按照自控壓力參數或地面的人工干預。在閥門打開時，內部的氣體在壓力作用下，由閥門開口處溢出；閥門關閉時將氣流通道阻斷。集風罩閥門也具有與副氣囊閥門類似的功能和結構設計。

2）鼓風機

副氣囊安裝的鼓風機的作用主要為在規定的條件下高效地向氣囊中充入空氣，以便維持氣囊的壓力，從而使飛艇保持良好的氣動外形。飛艇各副氣囊供氣設備選用流量合適的軸流風機，風機的開關策略與閥門相同，根據預設的控制邏輯，當副氣囊等空氣氣囊內壓壓差低於設定值時，壓力控制單元自動操作供電電源為相應氣囊風機供電，風機開啓鼓氣；當氣囊壓差達到規定的壓力值時，控制單元自動切斷電源，風機隨之停止工作，保障氣囊壓力始終維持在合理的範圍內。

系統軟件設計

飛艇重心自動調節系統軟件主要功能是實時獲取各傳感器數據，並對各數據進行相關、補償處理；實時檢查判斷飛艇各設備、各傳感器的工作狀態，根據採集原始數據及系統狀態調用相應的控制算法實現對飛艇重心位置的自動調節；包括對飛艇各個囊體體積的測量與計算，風機、閥門等控制設備的監測與控制；接收並執行地面人員上傳的人工控制命令；對系統的緊急狀況進行應急處置等。

其軟件結構如圖3所示：

a）控制輸出：包括風機、閥門等壓力調節控制；

b）狀態採集：包括壓力參數採集、風速風向採集、飛艇姿態參數採集、囊體體積採集、內外環境温度採集、故障信息採集；

c）重心調節處理：包括重心位置估算、囊體體積計算、重心自主調節；

d）系統應急處理：當系統發生通信中斷、系統關鍵設備故障等極端情況時，系統自動進入應急處理程序。 ^[2]