專利名稱：大氣參數(shù)模擬器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及氣壓測試及模擬技術領域，具體涉及一種大氣參數(shù)模擬器。
背景技術：
大氣參數(shù)模擬器可以為航天及航空領域的飛行器提供諸如靜壓、總壓、馬赫數(shù)、空速等大氣參數(shù)的模擬，尤其是航天領域對大氣參數(shù)模擬器的要求更高一些，其要求高精度氣壓控制、較快的響應速度?，F(xiàn)有的大氣參數(shù)模擬器主要是基于壓力伺服閥/比例閥的氣壓控制系統(tǒng)，該氣壓控制系統(tǒng)的優(yōu)點是裝置結構相對簡單，具有較好的控制精度；但是相應的缺點是壓力伺服閥的加工較為困難，成本很高，而且難以實現(xiàn)較高壓力的控制，響應速度較慢。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在解決上述技術問題，即克服基于壓力伺服閥/比例閥的壓力控制方式響應速度慢、加工困難等局限性。為此目的，本發(fā)明提供一種大氣參數(shù)模擬器，該大氣參數(shù)模擬器包括主控制模塊，其用于對所述大氣參數(shù)模擬器進行上位控制；液晶顯示模塊，其用于系統(tǒng)參數(shù)和輸出結果的顯示；鍵盤控制模塊，其用于通過鍵盤向系統(tǒng)輸入操作指令以便進行控制；靜壓及總壓控制模塊，其用于對靜壓通道和總壓通道的大氣參數(shù)進行控制和測量；以及氣路模塊，其根據(jù)所述靜壓及總壓控制模塊的指令實際執(zhí)行大氣參數(shù)的控制和測量；該大氣參數(shù)模擬器的特征在于，所述氣路模塊利用高速開關電磁閥來執(zhí)行大氣參數(shù)的控制。在優(yōu)選實施方式中，所述氣路模塊包括氣源、氣壓傳感器、電磁閥以及氣路通道， 所述氣路通道用于所述氣源、氣壓傳感器、電磁閥之間的連通。在更優(yōu)選的實施方式中，所述氣源包括壓力泵和真空泵，所述氣壓傳感器包括用于靜壓通道的靜壓控制傳感器和靜壓主傳感器以及用于總壓通道的總壓主傳感器和差壓控制傳感器，并且所述電磁閥包括用于靜壓通道的第一和第二高速開關電磁閥以及用于總壓通道的第三和第四高速開關電磁閥。在更優(yōu)選的實施方式中，所述主控制模塊包括與所述液晶顯示模塊的接口、與所述鍵盤控制模塊的接口、與所述靜壓及總壓控制模塊的接口、IEEE488接口、RS232串口以及打印機口 ；并且由所述主控制模塊執(zhí)行的上位控制包括下列各項鍵盤控制、液晶顯示、 大氣參數(shù)轉換、與靜壓及總壓控制模塊進行的通信和控制、狀態(tài)顯示、系統(tǒng)自檢功能、保護 (接地等)功能、漏氣檢測功能以及故障診斷功能。在更優(yōu)選的實施方式中，所述靜壓及總壓控制模塊是所述主控制模塊與所述氣路模塊之間的電路執(zhí)行機構，所述靜壓及總壓控制模塊執(zhí)行的操作包括下列各項與所述主控制模塊之間進行通信，即所述主控制模塊向所述靜壓及總壓控制模塊發(fā)送控制命令、數(shù)據(jù)處理運算的結果，而所述靜壓及總壓控制模塊向所述主控制模塊發(fā)送狀態(tài)監(jiān)測信號；壓力測量，即主傳感器將壓力測量值發(fā)送給所述靜壓及總壓控制模塊的CPU，所述靜壓及總壓控制模塊的CPU將換算后的結果發(fā)送給所述主控制模塊的CPU ；壓力控制，即所述靜壓及總壓控制模塊接收所述主控制模塊設定的壓力目標值，通過進行壓力閉環(huán)控制，操縱所述氣路模塊產生要求的壓力環(huán)境。在進一步的優(yōu)選實施方式中，所述液晶顯示模塊用于顯示靜壓、總壓、動壓、靜壓變化率、總壓變化率、動壓變化率、高度、馬赫數(shù)、速度、高度變化率、速度變化率。在進一步的優(yōu)選實施方式中，所述鍵盤控制模塊用于狀態(tài)改變及參數(shù)輸入，并且包括參數(shù)選擇鍵、功能選擇鍵以及參數(shù)輸入鍵。本發(fā)明根據(jù)飛行器飛行軌跡實物及半實物仿真和飛行器上氣壓高度表、馬赫數(shù)表、空速表的現(xiàn)場條件下的各項功能和性能技術指標測試要求，充分融合高精度氣壓控制技術、PID閉環(huán)控制參數(shù)的整定技術、高速電磁閥驅動電路設計技術、氣路系統(tǒng)的密封技術和大氣參數(shù)模型轉換技術，實現(xiàn)了大氣參數(shù)模擬和測量，具有模擬功能強、適應性強、操作使用方便、通用性強等特點。本發(fā)明滿足飛行器飛行軌跡實物及半實物仿真和飛行器上氣壓高度表、馬赫數(shù)表、空速表的現(xiàn)場條件下的各項功能和性能技術指標測試要求。簡言之，根據(jù)本發(fā)明的基于高速開關電磁閥的壓力控制系統(tǒng)具有結構簡單、成本低廉、工作可靠、便于計算機控制、可實現(xiàn)氣路的微調和微控以及響應速度快等優(yōu)點。


通過結合附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本領域技術人員將能更充分地理解本發(fā)明，附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的大氣參數(shù)模擬器的原理框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的主控制模塊的原理框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的靜壓及總壓控制模塊的原理框圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的氣路模塊的原理框圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的描述本質上僅僅是示例性的，并非旨在限制本發(fā)明、其應用或用途。應當指出的是，盡管該優(yōu)選實施方式披露了本發(fā)明的各種具體結構和細節(jié)，但是本領域技術人員容易理解的是，本發(fā)明的保護范圍不限于這些結構和細節(jié)，在不偏離本發(fā)明的基本原理的情況下，本領域技術人員能夠對這些結構和細節(jié)做出修改或等同替換，修改或替換后的實施方案也將落入本發(fā)明的保護范圍之內。如本申請中使用的，術語“模塊”意指下列各項專用集成電路(ASIC)、電子電路、 組合邏輯電路、場可編程門陣列(FPGA)、執(zhí)行編碼的處理器(共享的、專用的或成組的)、提供所述功能的其他適當部件；或者上述部分或所有部件的組合。術語“模塊”可包括存儲器 (共享的、專用的或成組的)，所述存儲器存儲由處理器執(zhí)行的編碼。首先參閱圖1，根據(jù)本發(fā)明的大氣參數(shù)模擬器包括主控制模塊、液晶顯示模塊、鍵盤控制模塊、靜壓及總壓控制模塊和氣路模塊。主控制模塊用于進行上位控制，其執(zhí)行的操作包括但不限于下列各項鍵盤響應控制、數(shù)據(jù)輸出顯示、大氣參數(shù)轉換、與靜壓及總壓控制模塊通信以便執(zhí)行系統(tǒng)集中控制。具體而言，主控制模塊向靜壓及總壓控制模塊發(fā)送控制命令、數(shù)據(jù)處理運算的結果等，而靜壓及總壓控制模塊向主控制模塊發(fā)送各種狀態(tài)監(jiān)測信號。僅作為示例，主控制模塊的顯控界面為在WINCE界面下開發(fā)的人機交互界面，完成大氣參數(shù)模擬器參數(shù)設置和狀態(tài)顯示，主控制模塊與靜壓及總壓控制模塊之間通過串口通信，協(xié)議為RS232，靜壓及總壓控制模塊的核心為單片機芯片及FPGA芯片，向主控制模塊發(fā)送狀態(tài)監(jiān)測信號。液晶顯示模塊用于系統(tǒng)參數(shù)和輸出結果的顯示。鍵盤控制模塊用于通過鍵盤向系統(tǒng)輸入操作指令以便進行控制。靜壓及總壓控制模塊主要用于對靜壓通道和總壓通道的氣壓等參數(shù)進行控制和測量，其執(zhí)行的具體操作包括但不限于下列各項與主控制模塊進行通信，如上所述，主控制模塊向靜壓及總壓控制模塊發(fā)送控制命令、數(shù)據(jù)處理運算的結果，而靜壓及總壓控制模塊向主控制模塊發(fā)送狀態(tài)監(jiān)測信號；進行壓力測量，即主傳感器將壓力測量值發(fā)送給靜壓及總壓控制模塊的CPU，靜壓及總壓控制模塊的CPU將換算后的結果發(fā)送給主控制模塊的 CPU ；進行壓力控制，即接收主控制模塊設定的壓力目標值，通過執(zhí)行壓力閉環(huán)控制，操縱氣路系統(tǒng)產生要求的壓力環(huán)境。此處，應當指出的是，盡管圖1中將靜壓控制模塊和總壓控制模塊作為獨立模塊示出，但是在不偏離本發(fā)明的原理的情況下，靜壓控制模塊和總壓控制模塊可以集成到一個單元/模塊中。此外，氣路模塊是用于進行氣壓等參數(shù)的控制和測量的氣動執(zhí)行機構，其根據(jù)靜壓及總壓控制模塊的指令產生所需的壓力環(huán)境?，F(xiàn)在參閱圖2，如上所述，主控制模塊主要實現(xiàn)對人機界面命令的解析與處理，與靜壓和總壓控制模塊進行通信，并完成大氣參數(shù)的轉換。如圖2所示，主控制模塊包括與液晶顯示模塊的接口 ；與鍵盤控制模塊的接口 ；與靜壓控制模塊的接口 ；與總壓控制模塊的接口 ；IEEE488接口 ；RS232串口以及打印機口等。主控制模塊主要實現(xiàn)以下功能鍵盤控制；液晶顯示；從壓力到高度、馬赫數(shù)等參數(shù)的轉換；與靜壓及總壓控制模塊之間進行通信和控制；狀態(tài)顯示，例如電磁閥的工作狀態(tài)顯示；系統(tǒng)自檢功能；保護(接地等)功能；漏氣檢測功能；故障診斷功能等。液晶顯示模塊用于顯示全機的工作狀態(tài)、參數(shù)，即顯示靜壓、總壓、動壓、靜壓變化率、總壓變化率、動壓變化率、高度、馬赫數(shù)、速度、高度變化率、速度變化率等。鍵盤控制模塊用于通過鍵盤對系統(tǒng)進行控制操作，主要用于狀態(tài)改變及參數(shù)輸入，其包括參數(shù)選擇鍵、功能選擇鍵及參數(shù)輸入鍵等。接下來參閱圖3，圖中示出了靜壓及總壓控制模塊，所述模塊是主控制模塊與氣路模塊之間的電路執(zhí)行機構，其主要實現(xiàn)以下功能與主控制模塊進行通信；進行壓力測量； 進行壓力控制。當靜壓及總壓控制模塊接收到來自主控制模塊的目標壓力值后，控制傳感器先參與環(huán)路控制，其將測量電壓值V。與CPU產生的目標電壓值\進行比較，其差值V。被送入PID控制環(huán)路，所產生的PID控制誤差與三角波發(fā)生器進行比較，比較結果即為驅動高速電磁閥的PWM信號，該信號控制高速電磁閥進行充放氣。當控制壓力接近目標值時，主傳感器參與環(huán)路控制。在這個閉環(huán)控制電路中，關鍵環(huán)節(jié)在于系統(tǒng)精度與響應時間的控制、 PID環(huán)路設計以及PWM控制。最后參閱圖4，圖中示出了氣路模塊，該氣路模塊是用于對氣壓等參數(shù)進行控制和測量的氣動執(zhí)行機構，其包括氣源，例如壓力泵和真空泵；氣壓傳感器，例如靜壓控制傳感器、靜壓主傳感器、總壓主傳感器以及差壓控制傳感器；電磁閥，例如高速開關電磁閥1-4 ；以及氣路通道，例如上述各部件之間的氣路通道。僅作為示例，壓力氣源-即壓力泵的最高壓力為0. 5Mpa(絕壓)，真空氣源-即真空泵的真空度為2. Okpa(絕壓)；電磁閥為直動式電磁閥，工作壓力范圍為2. Okpa-O. 5Mpa(絕壓)；氣壓傳感器要求為精度0.01% FS， 輸出為數(shù)字量，自帶溫度補償，氣壓范圍3. 5Kpa-135Kpa (靜壓)，3. 5Kpa-350Kpa(總壓)。具體到靜壓通道，當工作于控制模式下時，高速開關電磁閥1、高速開關電磁閥2 用于靜壓通道的充放氣控制，靜壓控制傳感器和靜壓主傳感器測量氣容I(Ps)的壓力值，測量結果被送入PID控制環(huán)路，然后產生PWM信號，所述PWM信號控制高速開關電磁閥1和2 對氣容1進行動態(tài)壓力控制，當壓力控制值即將接近目標值時采用控制傳感器達到氣路的快速響應，之后進入氣路穩(wěn)定時，用主傳感器工作以獲得滿足指標要求的控制精度。類似地，當工作于控制模式下時，高速開關電磁閥3、高速開關電磁閥4用于總壓通道的充放氣控制，總壓控制傳感器和總壓主傳感器測量氣容2 (Pt)的壓力值，測量結果被送入PID控制環(huán)路，然后產生PWM信號，所述P麗信號控制高速開關電磁閥3和4對氣容2進行動態(tài)壓力控制。盡管已參照優(yōu)選實施方式描述了本發(fā)明的技術方案，但是本領域技術人員容易理解的是，本發(fā)明的保護范圍并不局限于這些具體實施方式
，在不偏離本發(fā)明的基本原理的情況下，可以對所述實施方式以及其中的具體技術特征進行拆分、組合和改變，拆分、組合和改變后的技術方案仍將落入本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種大氣參數(shù)模擬器，包括主控制模塊，其用于對所述大氣參數(shù)模擬器進行上位控制；液晶顯示模塊，其用于系統(tǒng)參數(shù)和輸出結果的顯示；鍵盤控制模塊，其用于通過鍵盤向系統(tǒng)輸入操作指令以便進行控制；靜壓及總壓控制模塊，其用于對靜壓通道和總壓通道的大氣參數(shù)進行控制和測量；以及氣路模塊，其根據(jù)所述靜壓及總壓控制模塊的指令實際執(zhí)行大氣參數(shù)的控制和測量；其特征在于，所述氣路模塊利用高速開關電磁閥來執(zhí)行大氣參數(shù)的控制。
2.如權利要求1所述的大氣參數(shù)模擬器，其特征在于，所述氣路模塊包括氣源、氣壓傳感器、電磁閥以及氣路通道，所述氣路通道用于所述氣源、氣壓傳感器、電磁閥之間的連通。
3.如權利要求2所述的大氣參數(shù)模擬器，其特征在于，所述氣源包括壓力泵和真空泵， 所述氣壓傳感器包括用于靜壓通道的靜壓控制傳感器和靜壓主傳感器以及用于總壓通道的總壓主傳感器和差壓控制傳感器，并且所述電磁閥包括用于靜壓通道的第一和第二高速開關電磁閥以及用于總壓通道的第三和第四高速開關電磁閥。
4.如權利要求3所述的大氣參數(shù)模擬器，其特征在于，所述主控制模塊包括與所述液晶顯示模塊的接口、與所述鍵盤控制模塊的接口、與所述靜壓及總壓控制模塊的接口、 IEEE488接口、RS232串口以及打印機口 ；并且由所述主控制模塊執(zhí)行的上位控制包括下列各項鍵盤控制、液晶顯示、大氣參數(shù)轉換、與靜壓及總壓控制模塊進行的通信和控制、狀態(tài)顯示、系統(tǒng)自檢功能、保護(接地等)功能、漏氣檢測功能以及故障診斷功能。
5.如權利要求4所述的大氣參數(shù)模擬器，其特征在于，所述靜壓及總壓控制模塊是所述主控制模塊與所述氣路模塊之間的電路執(zhí)行機構，所述靜壓及總壓控制模塊執(zhí)行的操作包括下列各項與所述主控制模塊之間進行通信，即所述主控制模塊向所述靜壓及總壓控制模塊發(fā)送控制命令、數(shù)據(jù)處理運算的結果，而所述靜壓及總壓控制模塊向所述主控制模塊發(fā)送狀態(tài)監(jiān)測信號；壓力測量，即主傳感器將壓力測量值發(fā)送給所述靜壓及總壓控制模塊的CPU，所述靜壓及總壓控制模塊的CPU將換算后的結果發(fā)送給所述主控制模塊的CPU ； 壓力控制，即所述靜壓及總壓控制模塊接收所述主控制模塊設定的壓力目標值，通過進行壓力閉環(huán)控制，操縱所述氣路模塊產生要求的壓力環(huán)境。
6.如權利要求1至5中任一項所述的大氣參數(shù)模擬器，其特征在于，所述液晶顯示模塊用于顯示靜壓、總壓、動壓、靜壓變化率、總壓變化率、動壓變化率、高度、馬赫數(shù)、速度、高度變化率、速度變化率。
7.如權利要求1至5中任一項所述的大氣參數(shù)模擬器，其特征在于，所述鍵盤控制模塊用于狀態(tài)改變及參數(shù)輸入，并且包括參數(shù)選擇鍵、功能選擇鍵以及參數(shù)輸入鍵。
全文摘要
本發(fā)明涉及氣壓測試及模擬技術領域，具體涉及一種大氣參數(shù)模擬器，其旨在解決基于比例閥的壓力控制方式響應速度慢、加工困難等問題。為此目的，本發(fā)明的大氣參數(shù)模擬器包括主控制模塊，其用于對大氣參數(shù)模擬器進行上位控制；液晶顯示模塊，其用于系統(tǒng)參數(shù)和輸出結果的顯示；鍵盤控制模塊，其用于通過鍵盤向系統(tǒng)輸入操作指令以便進行控制；靜壓及總壓控制模塊，其用于對靜壓通道和總壓通道的大氣參數(shù)進行控制和測量；以及氣路模塊，其根據(jù)靜壓及總壓控制模塊的指令實際執(zhí)行大氣參數(shù)的控制和測量；其特征在于氣路模塊利用高速開關電磁閥來執(zhí)行大氣參數(shù)的控制。采用本發(fā)明的大氣參數(shù)模擬器，能夠獲得結構簡單、成本低廉、響應速度快等有益效果。
文檔編號G05B17/02GK102436183SQ20111029069
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月29日 優(yōu)先權日2011年9月29日
發(fā)明者楊水旺 申請人:北京振興計量測試研究所