一种潜水服密封性检测自动控制系统的优化方法与流程

本发明涉及潜水服的质量检测领域，具体涉及密封性检测的鉴定方向，尤其涉及一种潜水服密封性检测自动控制系统的优化方法。

背景技术：

潜水逐渐发展成为一项以在水下活动为主要内容，从而达到锻炼身体、休闲娱乐的目的的休闲运动，广为大众所喜爱。潜水的好处不仅在于水中的奇异世界给人的精神带来的巨大享受,而且更重要的是能够提高并改善人体的心肺功能,在美国及日本,潜水运动甚至被作为一种治疗癌症的辅助手段。据科学论证,水对人体的均衡压力有助于血液循环，水下长时间的吸氧可以有效地杀死癌细胞，并抑制癌细胞的扩散。对于每一个潜水爱好者而言,在进行潜水进阶的时候最苦恼的除了有心理的担忧还有就是装备的选择了。而且随着技术潜水的普及以及考虑到中国地理位置的特点，能见度好的潜点基本是在高原湖泊或地下洞穴,通常水温较低，干衣对潜水员而言就越显得必不可缺。防止水进入，干衣内空气可以减慢热量的传播,并且干衣内可以穿着保暖衣服，有利保持体温、减少呼吸消耗的气量、减少减压病的风险、减少疲惫感；作为备用浮力装置,增加安全性。潜水衣作为潜水的必备装备，潜水衣的气密性直接影响到潜水人员在水下活动的生命安全。

一些潜水装备厂,对潜水衣等密封装置的检测设备依然老旧落后,只靠人工控制气缸夹紧潜水衣，检测效率低下,速度慢,人力浪费严重。而且控制精度低，稳定性差，结果也不够精确,限制了检测工作的流程化。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种潜水服密封性检测自动控制系统的优化方法，通过极点配置实现了自动控制方法的优化。

实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种潜水服密封性检测自动控制系统的优化方法，输入的理想气缸内活塞位置与位移传感器检测的实际活塞位置相比较，差值信号经过plc进行控制算法计算，然后经功率放大器，得到模拟信号，用模拟信号去控制电气比例阀，电气比例阀控制气缸，使气缸中活塞杆移动，带动夹紧板夹紧，夹紧潜水衣。

上述控制算法的具体优化步骤为：

步骤一、建立理想气缸内活塞位置和气缸活塞位移的关系式，构成传递函数；

步骤二、利用步骤一中的关系式，结合设置的常数设置得出气动伺服系统阀控缸闭环模型；

步骤三、由气动伺服系统阀控缸闭环模型，得潜水服密封性检测位置控制系统的闭环状态空间表达式；

步骤四、根据现有的气动伺服控制系统，选取理想控制系统的极点为期望极点；

步骤五、利用极点配置求出反馈增益矩阵k，使系统状态达到期望的系统状态。

上述方法中，步骤一中理想气缸内活塞位置和气缸活塞位移的关系式为：

式中：y是输出信号，指气缸活塞位移；

u是控制信号，指输入的理想气缸内活塞位置；

ω为固有频率，固有频率高低反应控制系统的响应速度；

s为一个复变量；

ξ为阻尼比；

k1为开环增益，k1增大，系统响应速度增大，控制精度提高。

上述方法中，所述步骤三中潜水服密封性检测自动控制系统的闭环状态空间表达式为：即为

式中：x1、x2、x3为状态向量的三个分量，a为系统矩阵，b为控制矩阵，c为输出矩阵，u为控制信号。

本发明的有益效果是：本发明通过潜水衣密封性检测自动控制系统极点配置，我们对系统进行状态反馈，求出控制系统的状态反馈矩阵k，有了状态反馈矩阵k之后，控制系统就从现有的较差的系统达到了我们期望的优良系统。所谓潜水衣密封性检测自动控制系统极点配置就是使得已给的系统极点处于期望的位置，因为系统极点，决定了系统的稳定性和动态品质。而期望极点就是一个经过时间检验的最佳控制系统极点，通过状态反馈之后，把控制系统性能不好的系统变成了具有了很好控制特性系统，这就对系统进行了优化。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本发明的具体实施方式的潜水衣夹紧装置。

图2是本发明的具体实施方式的自动控制的检测系统的装置示意图。

图3是本发明的具体实施方式的自动控制的检测系统的工作框图。

图4是本发明的具体实施方式的极点配置系统方框图。

图5为本发明的具体实施方式的加入优化的控制系统阶跃响应图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明提供了一种潜水服密封性检测自动控制系统的优化方法，应用于自动控制系统，如图1-2所示，系统包括上夹击板1、下夹紧板2、活塞杆3、气缸4、位移传感器5、电气比例阀6、功率放大器7和plc8。输入的理想气缸内活塞位置与位移传感器检测的实际活塞位置相比较，差值信号经过plc8进行控制算法计算，然后经功率放大器7，得到模拟信号，用该信号去控制电气比例阀6，电气比例阀6再去控制气缸4，使气缸4中活塞杆3移动，带动夹紧板1、2夹紧，以达到夹紧潜水衣的效果。

如图3-4，潜水服密封检测自动控制系统的优化方法，解释潜水服密封检测自动控制系统原理以及系统优化后的信号状态图。潜水服密封检测自动控制系统的优化方法，包括以下步骤：

步骤一、系统的输入u与输出y的关系为：

式中：y是输出信号，指气缸活塞位移；

u是控制信号，指理想气缸内活塞位置；

为固有频率，固有频率高低反应控制系统的响应速度；

s为一个复变量；

为阻尼比；

为开环增益，k1增大，系统响应速度增大，控制精度提高；

k为比热比，对于空气k＝1.4，对于气缸左右腔的气体kq1、kq3＝1.4；

p1、p2分别为气缸左右腔的气体压力；

a1、a2分别为气缸左右腔中活塞有效作用面积；

v1、v2分别为气缸左右腔中两腔内气体的体积(m³)；

m为气缸内气体质量(kg)；

kv为粘性动摩擦力系数；

r为气体常数(j/kg·k)，本文取r＝287；

t1、t2为气缸左右腔内的气体绝对温度。

步骤二、某潜水服密封性检测自动控制系统具体数据如下：

将上面数据代入系统，可得出气动伺服系统阀控缸闭环模型为：

a1为s²的系数；

a2为s的系数；

a3为常数项的系数；

g(s)为系统传递函数，是步骤一的简化公式。

步骤三、由气动伺服系统阀控缸闭环模型，得潜水服密封性检测位置控制系统的闭环状态空间表达式：即为

式中：x1、x2、x3为状态向量的三个分量。a为系统矩阵，b为控制矩阵，c为输出矩阵，u为控制信号。

步骤四、根据现有的气动伺服控制系统，选取某理想控制系统的极点λ1^*，为期望极点，此期望极点

步骤五、求状态反馈增益矩阵k，使系统状态达到期望的系统状态。

则[baba²b]的秩rank[baba²b]＝3，秩为系统的阶数，所以给定的系统是状态万全能控的，通过状态反馈控制能任意配置闭环特征值，下面求状态反馈增益矩阵k。

5.1、由det(si-a)得系统闭环特征方程

i为单位矩阵，det(si-a)为行列式(si-a)的值。

5.2、把期望极点λ1^*，代入得期望的闭环特征方程

式中为闭环特征方程中不同次幂s的系数。

5.3、由系统的期望闭环特征方程与闭环特征方程中同幂次系数相减，得状态反馈增益阵

5.4、构造能控矩阵表达式

5.5、取上式q的逆，p＝q^-1。

5.6、由与p相乘，得状态反馈增益矩阵

5.7、由a1＝129.3,a2＝1333.3,a3＝28667。

代入上面公式可得状态反馈增益矩阵；

得到新系统

如图4，通过潜水服密封性检测自动控制系统极点配置，将系统增加了一个状态反馈u＝v-k，得到系统的响应特性将由闭环系统矩阵a-bk的特征值决定，矩阵k选取适当，则可使矩阵a-bk构成一个渐近稳定矩阵。矩阵a-bk的特征值即为闭环系统的极点。使闭环系统的极点任意配置到所期望位置的问题。而系统极点，决定了系统的稳定性和动态品质。而期望的系统极点就是一个经过时间检验的最佳控制系统极点，而现在通过状态反馈之后，我们得到了这一期望的系统极点，使得原本不稳定的系统变成了具有很好控制特性的系统，这就对系统进行了优化。

由图5可知，在建立系统仿真模型之后，得到系统的阶跃响应曲线，有阶跃响应曲线可以得出原系统的响应时间长且系统的稳定性能较差。当通过潜水服密封性检测自动控制系统极点配置之后，系统的响应时间变短且控制系统没有超调量，由此可以看出潜水服密封性检测自动控制系统得到了较好的优化，使潜水衣夹紧的性能得到提升，系统反映时间较短，系统的精度高且系统能量消耗较少。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。