三防滤毒通风系统的可行性计算分析和控制

李志超，刘显勤，吴林瑞，刘 杰，朱朝文

(北京航天发射技术研究所，北京 100076)

0 引言

“三防”是指防核武器、防生物武器、防化学武器，简称“防核生化”。在核战争、生物战、化学战的情况下，三防滤毒通风系统将外界受污染的空气经过过滤处理送入驾驶室内，并使驾驶室保持一定超压，阻止外界受污染的空气经密封不严的孔口缝隙进入，使驾驶室内形成一个无污染的防护空间。

PID控制算法以其计算量小、实时性好、易于实现等特点广泛应用于过程控制。理论上讲，PID算法只能控制线性时不变系统。那么滤毒通风系统是否适合使用PID控制算法进行控制呢？本文分别从车速、风速、泄漏量、风机、滤毒罐通风率等方面分析了使用PID控制算法的可行性。

1 系统组成和工作方式

三防滤毒通风系统由管路系统、风机、滤毒罐、控制器、污染传感器、差压变送器组成(见图1)。主要影响系统控制功能的有管路系统、风机、滤毒罐。下面分别对这几种因素进行分析。

图1 系统组成框图

三防滤毒通风系统将空气从风机吸入，通过滤毒罐过滤处理之后到达驾驶室。驾驶室压力与车速、风速、风机、驾驶室泄漏量、驾驶室体积、滤毒罐通风率有关。

2 影响驾驶室内外压差的因素

驾驶室内外应保持一定压力差别，内部压力大于外部压力，使得驾驶室外的污染气体不能渗透到驾驶室内部。

2.1 车速和风速对压差的影响

驾驶室内外压差受车速和风速的影响，驾驶室外的风压会使驾驶室内外压差减小。其中，风压与风速的贝努利公式如式(1)所示：

(1)

式中：P风为风压，Pa；V为V=V风·cosα+V车；V风为风速，m/s；α为风向与车辆行驶方向的夹角，度；V车为车速，m/s；ρ为空气密度，t/m3，ρ=0.001 25e-0.000 1Z，其中Z为海拔高度，取海拔高度为10 m时，ρ=0.001 248 75。

在污染环境中作战，取最大行驶速度不大于45 km/h(12.5 m/s)。在控制要求中，平均风速为15 m/s，最大风速为22.5 m/s。施放毒气时风速一般不超过4级，为8 m/s，但对于核辐射，应按要求速度计算。设：防护体顶风行驶，cos α=1。

当V车=12.5 m/s：当V风=8 m/s时，P风=262.4 Pa；当V风=15 m/s时，P风=472.2 Pa；当V风=22.5m/s时，P风=764.8 Pa；当V车=0 m/s：当V风=8 m/s时，P风=40 Pa；当V风=15 m/s时，P风=140.5 Pa；当V风=22.5 m/s时，P风=316.1 Pa。

在防护过程中，驾驶室保持一定超压，即可防止驾驶室外有毒气体进入驾驶室。因此，系统要求停车时，驾驶室内外压差值不小于350 Pa，车速为最大状态45 km/h时，压差值不小于800 Pa。

2.2 滤毒罐送风量与压力的关系

2.2.1 风量

为保证舱内乘员呼吸用氧，且二氧化碳浓度不超过限定值，一般常温条件下每人需要3～8 m3/h的通风量，温热条件下每人需要10～15 m3/h的通风量。驾驶室内按4人计算，最大通风量需要60 m3/h，因此驾驶室内送风量的额定值为80 m3/h；范围为60～120 m3/h(即系统的送风量60～120 m3/h)。为了留有余量，滤毒通风装置中选用了200 m3/h的滤毒罐。

2.2.2 滤毒罐空气流阻力

当送风量为200 m3/h时，滤毒罐空气流阻力不大于1 570 Pa，当送风量为120 m3/h时，滤毒罐空气流阻力不大于1 000 Pa。

2.3 风机送风曲线

图2为选用风机的压力与送风量之间的关系曲线，当内部压力小于1 800 Pa时，风机送风量不小于300 m3/h。当内部压力小于2 400 Pa时，风机送风量不小于150 m3/h。即风机送风量压力在控制范围内。上述曲线无明确的关系表达，但从图可以看出，用二次曲线拟合是可以达到相当精度的。

图2 风机送风量与压力的关系图

2.4 系统阻力

滤毒通风装置除风机、滤毒罐和驾驶室体积外，其系统阻力R还包括进风口过滤器阻力R1、管道阻力R2、滤毒罐阻力R3、出口剩余压力ΔP(即是驾驶室的超压) ，如式(2)所示：

R=R1+R2+R3+ΔP

(2)

管道阻力与空气性质、管道材料、长度、断面尺寸、结构形式等因素有关。尽管没有R1和R2的测试数据，但估计R1+R2不大于100 Pa。在滤毒罐的风量为120 m3/h情况下，R3=1 000 Pa。因此有:R=100 Pa+1 000 Pa+800 Pa=1 900 Pa。

2.5 泄漏量(通风量)对压差的影响和其他因素

通风量是保证驾驶室内空气流通的必要条件，根据2.2.1的条件，驾驶室通风量须在12～60 m3/h。通风量一部分通过泄漏量实现，另一部分需要通过通气孔或其他换气方式实现，为了计算方便，这里统一用泄漏量来表示。

泄漏量也是驾驶室内外压差的一个影响因素，泄漏量大时，压差减小得快，泄漏量小时，压差减小得慢。所以对风机的控制还要考虑泄漏量的影响，泄漏量大，则风机转速高，泄漏量小，则风机转速低。而泄漏量的大小又受压差大小的影响，压差大，则泄漏量大，压差小，则泄漏量小。对于泄漏量的计算可以采用公式法，计算公式如式(3)所示：

(3)

对于驾驶室来说，驾驶室正面是迎风面，驾驶室后面背风，当风向从行驶方向正面从前往后时，驾驶室背面可能小于大气压，即驾驶室内外压差发生变化，当在背面有泄漏孔时，泄漏量的计算与前面、侧面、上面的计算均有差别，由于现有压差左右驾驶室仅有一个位置测量，因此驾驶室压差的控制不是一个线性控制。根据以上分析计算，驾驶室压差、风机送风量、驾驶室泄漏量等主要控制参数是可以用方程解算且是可控的，根据PID可以控制时不变系统的理论，选用PID来实现对压差的计算。

3 驾驶室内外压差的控制

3.1 PID控制算法

系统通过调整占空比的方式控制风机PWM信号输出，进而控制风机转速，使驾驶室保持一定超压。当驾驶室内外理论压差值与实际压差值之差在一定范围内时，自动切换到PID控制方法控制输出占空比。PID控制算法是工业控制领域中被广泛采用的控制方法，其中P是比例，具有对目前偏差量负责的特点；I是积分，它是在时间坐标上对K时刻及K时刻以前的偏差量的总结，形成的控制量具有对历史数据负责的特点；D是微分，它是对K+1时刻偏差量变化趋势的一种预报或预测，具有对未来负责的特点。因此PID控制算法具有全局消差的能力。其控制系统结构图如图3所示。

图3 PID控制系统结构图

它主要由PID控制部分和被控对象组成。它根据驾驶室内外理论压差值r(t)与驾驶室内外实际值y(t)构成的偏差信号e(t)，将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PID算术表达式如式(4)所示：

(4)

式中：u(t)为系统控制量u；e(t)为偏差e，e(t)=r(t)-y(t)；Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。

3.2 数字PID控制

计算机控制是一种数字控制，它只能根据采样时间的偏差值计算控制量。因此，连续 PID 控制算法不能直接使用，故采用离散化方法。在计算机 PID 控制中，使用的都是数字 PID 控制。

数字 PID 控制算法有很多种，比如位置式 PID 控制算法、增量式 PID 控制算法、积分分离 PID 控制算法、抗积分饱和 PID 控制算法、梯形积分 PID控制算法、不完全微分 PID 控制算法和步进式 PID 控制算法等。本文采用的PID 控制算法是位置式 PID 控制算法。

数字 PID 算法可用差分方程来实现，以矩形法数值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，如式(5)所示：

(5)

其中：T是采样周期。

为了书写方便，将e(kT)简化表示为e(k)，即省去T，将式(5)代入式(4)可得离散PID表达式，如式(6)、式(7)所示：

(6)

(7)

式中：k为采样序号，k=1，2，…；u(k)为第k次采样时刻的控制器输出值；e(k)为第k次采样时刻的输入偏差值；e(k-1)为第k-1次采样时刻的输入偏差值；Kp为比例系数；Ki为积分系数，Ki=Kp×T/Ti；Kd为微分系数，Kd=Kp×Td/T。式(7)即是位置式离散PID控制的最常见的表达形式。

3.3 应用PID方法控制风机PWM信号

应用PID方法控制风机PWM信号，只需控制风机占空比信号即可，图3中把控制量u(t)设置为占空比百分数值，即：如果u(t)等于10，则占空比为10%。r(t)代表在相应车速下的理论压差值，y(t)代表实际压差值，压差的偏差值为e(t)=r(t)-y(t)。应用公式(7)实时计算风机PWM控制信号，输出控制风机风量。

驾驶室内空气的泄漏量受驾驶室内外压差大小的影响，压差大，则泄漏量大，压差小，则泄漏量小。所以PID控制算法的参数Kp、Ki、Kd的取值随着驾驶室内外实际压差值的增减而变化，它们之间的逻辑关系可以根据试验来确定，通过试验建立一个逻辑关系表，不同压差值的情况下取不同的参数值，应用查表所得参数值和驾驶室内外理论压差值与实际压差值之差e对风机的PWM信号进行控制，即可实现滤毒通风系统的控制。

4 结语

本文分析影响驾驶室内外压差的几个因素，得出了可以用PID方法控制驾驶室内外压差的结论。同时分别介绍了驾驶室内外压差的控制方法、风机的控制方法，以及采取PID控制方法控制风机PWM信号的输出占空比，对滤毒通风系统的后续设计具有指导意义，并对同类型的控制系统设计具有较好的参考价值。