CN102508945B - 航空充氮车气路系统动态电模拟方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空充氮车气路系统动态电模拟方法和装置。利用气路系统与电系统的等效对应关系，把气瓶管道网络转化为动态电路拓扑。利用本发明的航空充氮车电模拟方法和装置，设置好初始各气瓶气压值，之后只需采集各个开关阀门的状态，就可以动态模拟出充氮车的充气流程。本发明对于操作人员熟悉掌握充氮车充气流程、理解各流程工作原理、训练操作人员对突发事故的应变能力以及故障的定位分析都具有实际价值与意义。

Description

航空充氮车气路系统动态电模拟方法和装置

技术领域：

本发明涉及动态模拟设备和方法，尤其是航空充氮车气路系统动态电模拟方法和装置。

背景技术：

随着现代航空技术和航空武器装备的不断发展，氮气和氧气在民用、军用飞机飞行和地面维修保障中得到了广泛的应用。按照我国现行飞行保障体制，飞行用氮气和氧气主要由地面制氧制氮设备生产，并用气瓶贮存，飞行前由充氧、充氮车充入飞机气瓶备用。

充氮车作为机场地面的主要设备，供应保障质量直接影响到飞行安全。同时，操作人员的技术熟练程度对机场生产安全、设备使用效率、使用寿命等起着决定性的作用。鉴于充氮车设备成本日益增高、充气流程复杂、操作规程要求严格，对操作人员素质要求愈来愈高。

航空充氮车主要分地面气站向车内气瓶灌充氮气、车内气瓶间转充氮气、车内气瓶向外灌充氮气和循环工作等四种充气流程。实际充氮车装备在飞行保障或训练中，主要借助相关的气压表和阀门开关状态等来判断实时工作状态，如气体流向、充气流程、各气瓶气压变化等。然而，如果充氮车阀门起止位置异常或者气压表损坏，操作人员就无从判断工作状态，从而导致严重的操作事故。而且，实际生产中不允许人为设置故障，一般也不允许非正规操作，所示不了解异常工作时的现象，从而不能训练突发情况正确处理的经验。如果能研究出充氮车气路系统的动态仿真方法，就可以清楚明晰地观察、了解管道中气体流向和充气流程。这正是本发明的充氮车模拟仿真系统研究的必要性。

实际充氮车在进行训练中往往受到场地、经费和装备自身维护保养情况等的限制，而基于本发明的仿真模拟系统的训练，可以安全、经济、可控、多次重复、无风险、不受气候条件和场地空间限制，既能常规操作训练，又能培训操作人员对处理各种事故的应变能力以及故障的分析定位。这对帮助操作人员理解掌握充氮车充气流程、提高操作人员业务水平、增强机场地面保障的安全性都具有很大的实际价值和现实意义。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的是研究一种航空充氮车气路系统动态电模拟方法，模拟航空充氮车的充气流程。

本发明是通过如下的方法实现的：

航空充氮车气路系统动态电模拟方法，利用气路系统与电系统的等效对应关系，将高压气瓶管道网络转化为动态电路模型，用电路模型的动态响应实时模拟出气体流向、充气流程、气瓶气压变化等情况；所述高压气瓶管道网络系统中的元器件和气路管道对应为以下电气元器件和支路：

1).气瓶等效对应电路拓扑中的电容；

2).管道流动阻力等效对应电路电阻；

3).气路拓扑等效对应电路拓扑；

4).开关阀门等效对应电路开关；

5).气体压缩机等效对应电路的受控电流源；

6).止回阀等效对应电路二极管；

7).压力表等效对应电路电压表；

8).减压阀等效对应电路稳压管；

气路系统原理图和等效之后的动态电路图分别如附图1、2所示，补充具体细则如下：

①气体阀门的关断时，对应电路中的电阻为无穷大值；各阀门打开时，对应电路中电阻值表示管道流动阻力；

②气体压缩机M管路等效到电路中时，进气管路等效通过一个电阻R0接地，R0阻值大小表征压缩机油门大小；压缩机和出气管路等效为负极接地的受控电流源CCCS，其控制量为流过电阻R0的电流；

③气路系统中的气压表、进充气接嘴在电路模型中无需作出其等效元件，气压表示数等于电路中相应节点电压值；

④对于充氮车气路系统的地面气瓶接嘴J1和飞机充气接嘴J2、J3：当有地面气瓶接入J1时，等效在电路模型上相同位置接入地面气瓶的等效电容Cd；当无地面气瓶接入J1时，等效电路装置上的接嘴直接接地。同理，当J2、J3接入飞机时，等效在电路装置中相同位置处接入飞机气瓶等效电容Cf；当J2、J3没有接入飞机，等效在接嘴处直接接地。对于上述J1、J2、J3的等效接地状态，通过给Cd、Cf赋无穷大值来等效模拟。

本发明的目的还在于：建立一个航空充氮车气路系统动态电模拟模型，为操作人员熟悉掌握充氮车充气流程、理解各流程工作原理、训练操作人员对突发事故的应变能力以及故障的定位分析的模拟训练平台。

利用本发明的航空充氮车电模拟方法和装置，只需设置好初始各气瓶气压值，之后只需采集各个开关阀门的状态，就可以动态模拟出充氮车的充气流程。本发明对于操作人员熟悉掌握充氮车充气流程、理解各流程工作原理、训练操作人员对突发事故的应变能力以及故障的定位分析都具有实际价值与意义。

附图说明：

图1为航空充氮车管路原理流程图。

图2为充氮车气路系统等效的动态电路装置图。

具体实施方式

如图1所示，航空充氮车气路系统由高压气瓶、隔膜式压缩机、管道、转充阀、增供阀、充气阀、放气阀、气压表、安全阀、止回阀、减压阀、调压阀、进充气接嘴等构成。

研究出上述气路系统与电系统的等效规则如下：

1).高压气瓶管道网络系统中的气瓶等效对应电路拓扑中的电容即：气瓶的压力对应电容电压；气瓶气量对应电容电荷量；气瓶气流对应电容电流；气瓶容量对应电容量。

2).管道流动阻力等效对应电路电阻。

3).气路拓扑等效对应电路拓扑。

4).开关阀门等效对应电路开关。

5).气体压缩机等效对应电路的电流控制电流源。

6).止回阀等效对应电路二极管。

7).压力表等效对应电路电压表。

8).减压阀等效对应电路稳压管。

根据上面的等效规则，图1中具体的气路符号等效对应的电路符号如下表所示：

表1充氮车气路系统与电路模型的等效对应关系

需要说明的是：由于等效电路中二极管D1～D5、稳压管Dz、安全阀AQ1、AQ2和调压器TF非线性电路特性在系统建立状态方程时的复杂性，实际经验总结出可用软件算法实现上述元件电路特性。另外，补充等效建模过程中等效细节为：

①气体阀门的关断时，对应电路中的电阻为无穷大值；各阀门打开时，对应电路中电阻值表示管道流动阻力。

②气体压缩机M管路等效到电路中时，进气管路等效通过一个电阻R0接地，其阻值表征压缩机油门大小；压缩机和出气管路等效为负极接地的受控电流源CCCS，其控制量为流过电阻R0的电流。

③气路系统中的气压表B1～B7、进充气接嘴J1、J2、J3在电路模型中无需作出其等效元件，气压表示数等于电路中相应节点电压值；

④等效电路中电容C1_1～C3_3的负极、受控电流源CCCS的负极、电阻R0的负极应接地。

⑤对于充氮车气路系统的地面气瓶接嘴J1和飞机充气接嘴J2、J3：当有地面气瓶接入J1时，等效在电路模型上相同位置接入地面气瓶的等效电容Cd(见图2)；当无地面气瓶接入J1时，由于对应进气支路含有止回阀，等效电路模型上的接嘴直接接地。同理，当J2、J3接入飞机时，等效在电路模型中相同位置接入飞机气瓶的等效电容Cf；当J2、J3没有接入飞机，等效在接嘴处直接接地。而对于上述J1、J2、J3的等效接地状态，通过给电容Cd、Cf赋无穷大值来等效模拟。

通过以上步骤，充氮车气路系统等效成为含有电阻、电容、电流源等元件的动态电路模型，即为图2所示充氮车气路系统等效电路装置。如图所示，电阻电容支路I、II、III分别由并联的三组串联电阻电容组成；跨接在等效电容Cd两端的有下述支路：表征压缩机油门大小的电阻R0、转充电阻R1、R2、R3分别与电阻电容支路I、II、III串联后的三条支路、循环电阻R7和充气电阻R10与飞机气瓶的等效电容Cf的串联支路；受控电流源CCCS和二极管D2串联支路与充气电阻R10和飞机气瓶等效电容Cf串联支路相并联；增供电阻R4、R5、R6的一端与D2的输出端相连，其另一端分别与转充电阻R1、R2、R3相连。

该电路模型和气路系统具有相似的拓扑，且在图论中皆为非平面图。电路元件标号分别对应气路系统中器件符号：电路中电阻R(i)对应气路中阀门K(i)；电容C(i)对应气瓶P(i)(i为图中各元件标号)；二极管D1、D2分别对应止回阀Z1、Z2；其中Cd为地面气瓶的等效电容，表示气路系统J1有地面气瓶接入；Cf为飞机气瓶的等效电容，表示气路系统中J2、J3有飞机气瓶接入。特殊地，如果J1、J2、J3没有接入地面和飞机气瓶，则使图中电容Cd、Cf为无穷大值等效接地状态。R0用来表征压缩机油门大小，流过其电流i代表压缩机的进气气流，该电流i同时作为受控电流源的控制量，受控电流源代表模型压缩机，这样压缩机的工作原理就可用流经R0电流i和受控电流源CCCS来模拟。

综合上述所得的电路模型，电容的电压值变化即反映气路系统中气瓶气压变化；支路电流即反映气路系统管道气流；电阻R0、受控电流源CCCS中电流i表征了压缩机工作情况。此电路模型连同用软件实现的二极管D1～D5、稳压管Dz、安全阀AQ1、AQ2和调压器TF电路特性，达到完全模拟充氮车气路系统工作流程的设计目标。

接着建立等效后的动态电路的状态方程。

利用图论知识，电路中每个元件都对应一条支路，做出图2电路的有向图。选择一条树作为特有树，其树支为：电容Cd、Cf、C1_1～C33所在的11条支路，电阻R0、R10、R1_1、R2_1、R3_1所在的5条支路；而有向图其余的电流源支路、电阻支路即为连支。对电容所在支路，按先连支后树支的列写顺序作基本割集矩阵Q_f和基本回路矩阵B_f，得到下面式：

Q_f＝[Q₁₁|E]_(n-1)×b       (1)

B_f＝[E|B₁₂]_(b-n+1×b(2)

其中，E表示单位矩阵。I_K、I_T表示连支、树支电流的列向量；U_K、U_T表示连支、树支电压的列向量。从而得到：

$I_b=\left[\begin{array}{c}{I}_K\\ I_T\end{array}\right]---\left(3\right)$ $U_b=\left[\begin{array}{c}{U}_K\\ U_T\end{array}\right]---\left(4\right)$

对于基本割集矩阵Q_f有   Q_fI_b＝0

上式代入(1)得      I_T＝-Q₁₁I_K    (5)

对于基本回路矩阵B_f有   B_fU_b＝0

上式代入(2)得    U_K＝-B₁₂U_T(6)

而图论中Q_f和B_f的关系 $B_{12}=-Q_{11}^T---\left(7\right)$

把(7)代入上面各式，化简得 $U_K=Q_{11}^T{U}_T$

I_T＝-Q₁₁I_K

从而得到状态方程矩阵形式

$\left[\begin{array}{c}{U}_K\\ I_T\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& Q_{11}^T\\ -Q_{11}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_K\\ U_T\end{array}\right]---\left(8\right)$

这样所有

微分项都包含在矩阵方程的左边，i_s，u_C，i_R、这些状态变量和常量都包含在矩阵方程右边。从矩阵方程中只列写出含

微分项的方程，并且方程两边都同除以各自电容C系数，得到如下状态方程形式：

$\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{du}}_{c1}}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{du}}_{c2}}{\mathrm{dt}}\\ M\\ \frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{cn}}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{m}_{11}& m_{12}& L& m_{1r}\\ m_{21}& m_{22}& L& m_{2r}\\ M& M& & M\\ m_{n1}& m_{n2}& L& m_{\mathrm{nr}}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{i}_1\\ i_2\\ M\\ i_r\end{array}\right]---\left(9\right)$

上式(9)中电流列向量i_r×1用其余未包含

微分项的方程来表达出来：在未包含微分项的方程中，让电阻作为元素的矩阵A_r×r乘以i_r×1列向量，等于u_c1～u_cn表达式组成的列向量U_r×1。即：

$\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& L& a_{1r}\\ a_{21}& a_{22}& L& a_{2r}\\ M& M& & M\\ a_{r1}& a_{r2}& L& a_{\mathrm{rr}}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{i}_1\\ i_2\\ M\\ i_r\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{g}_1(u_{c1},u_{c2},L{u}_{\mathrm{cn}})\\ g_2(u_{c1},u_{c2},L{u}_{\mathrm{cn}})\\ M\\ g_r(u_{c1},u_{c2},L{u}_{\mathrm{cn}})\end{array}\right]---\left(10\right)$

而上面式中列向量g_r×1可用状态变量u_c1～u_cn表示为：

$\left[\begin{array}{c}{g}_1(u_{c1},u_{c2},L{u}_{\mathrm{cn}})\\ g_2(u_{c1},u_{c2},L{u}_{\mathrm{cn}})\\ M\\ g_r(u_{c1},u_{c2},L{u}_{\mathrm{cn}})\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{p}_{11}& p_{12}& L& p_{1n}\\ p_{21}& p_{22}& L& p_{2n}\\ M& M& & M\\ p_{r1}& p_{r2}& L& p_{\mathrm{rn}}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{u}_{c1}\\ u_{c2}\\ M\\ u_{\mathrm{cn}}\end{array}\right]---\left(11\right)$

综上，由状态矩阵推得状态方程的最终表达式：

${\left[\frac{{\mathrm{du}}_c}{\mathrm{dt}}\right]}_{n\×1}=M_{n\×r}\×A_{r\×r}^{-1}\×P_{r\×n}{\left[u_c\right]}_{n\×1}---\left(12\right)$

最后给出状态方程的求解算法。

通过上面步骤即可得到11阶动态电路(电路含有11个独立电容，即气路系统含有9个车上气瓶，加上地面气瓶和飞机气瓶)的状态方程。状态方程即为数学上的一阶微分方程组，而通常的龙格库塔(Runge-Kutta)算法只是针对一个微分方程，本发明改进了四阶龙格库塔算法，使其适应一阶微分方程组的求解。对于式(12)所示一阶微分方程组，依次求解每一行的微分方程：让状态矩阵

的第i行乘以状态向量[u_c]_n×1的值得到第i个微分方程的函数值，然后更新函数自变量[u_c]_n×1得到四阶龙格库塔算法系数k1、k2、k3、k4，完成第i行微分方程的求解。类似可依次求解出每一行的微分方程的状态变量值。

这里给出用软件实现电路中的二极管、稳压管、理想变压器的电路特性和气路系统中安全阀气路特性的方法：

1).由于状态变量的电容电压的一阶微分等于电容支路的电流大小，对于含有二极管的支路，用状态变量一阶微分表示出该支路电流大小。这样每次用龙格库塔求解状态方程之前，检测该支路电流方向是否反向。如果反向，则把该支路电阻赋于无穷大值，使该支路在电路中相当于关断，以此等效二极管的单向导通特性。

2).对于含有稳压管和理想变压器的支路，当稳压管输入电压小于减压阀设定值时，认为输入支路开通；当稳压管输入电压大于减压阀设定值时，相当于输入支路截止，给支路电阻赋无穷大值使其关断。理想变压器其实是电压值可调的稳压管，首先由采集到的调压参数计算出理想变压器的稳压值，然后即可按稳压管的软件实现方法来等效理想变压器的电路特性。

3).对于气路系统连接的安全阀，由于气路系统安全阀的工作原理是当该节点气压超过或等于安全阀的设定值，即使气体排放到大气中来实现泄压作用。所以在电路模型中实时计算该节点电压值，若真实电压大于安全阀设定值，只需将流入该位置的电流无效处理，即从该节点流入电流的气瓶气压值一直保持当前值，而向该节点输入电流的气瓶则按原来的变化情况变化。

Claims (2)

1.航空充氮车气路系统动态电模拟方法，利用气路系统与电系统的等效对应关系，将高压气瓶管道网络转化为动态电路模型，用动态电路模型的动态响应实时模拟出实时气体流向、充气流程、气瓶气压变化情况；所述高压气瓶管道网络系统中的元器件和气路管道对应为以下电气元器件和支路： 

1).气瓶等效对应动态电路模型拓扑中的电容； 

2).管道流动阻力等效对应动态电路模型电阻； 

3).气路拓扑等效对应动态电路模型拓扑； 

4).开关阀门等效对应动态电路模型开关； 

5).气体压缩机等效对应动态电路模型的受控电流源； 

6).止回阀等效对应动态电路模型二极管； 

7).压力表等效对应动态电路模型电压表； 

8).减压阀等效对应动态电路模型稳压管； 

并且： 

①气体阀门关断时，对应动态电路模型中的电阻为无穷大值；各阀门打开时，对应动态电路模型中电阻值大小表示阀门打开程度和气路管道阻力； 

②气体压缩机M管路等效到动态电路模型中时，进气管路等效通过一个电阻R0接地，R0阻值大小表征压缩机油门大小；压缩机和出气管路等效为负极接地的受控电流源CCCS，其控制量为流过电阻R0的电流； 

③气路系统中气的压表用动态电路模型中相应节点电压值表示； 

④对于气路系统中地面气瓶的进气接嘴J1和飞机气瓶的充气接嘴J2、J3：当有地面气瓶接入J1时，等效在动态电路模型上相同位置接入地面气瓶的等效电容Cd；当无地面气瓶接入J1时，等效动态电路模型上的接嘴直接接地；当J2、J3接入飞机时，等效在动态电路模型中相同位置接入飞机气瓶的等效电容Cf；当J2、J3没有接入飞机，等效在接嘴处直接接地；对于上述J1、J2、J3的等效接地状态，通过为Cd、Cf赋无穷大值来等效模拟。 

2.航空充氮车气路系统动态电模拟装置，其特征在于，电阻电容支路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别由并联的三组串联电阻电容组成；跨接在等效电容Cd两端的有下述支路：表征压缩机油门大小的电阻R0、转充电阻R1、R2、R3分别与电阻电容支路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ串联后的三条支路、循环电阻R7和充气电阻R10与飞机气瓶的等效电容Cf的串联支路；受控电流源CCCS和二极管D2串联支路与充气电阻R10和飞机气瓶等效电容Cf串联支路相并联；增供电阻R4、R5、R6的一端与D2的输出端相连，其另一端分别与转充电阻R1、R2、R3相连。 

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