氧气面罩的内部压强控制以及供氧浓度控制的仿真研究

发布时间：2017-10-18 20:06

  本文关键词：氧气面罩的内部压强控制以及供氧浓度控制的仿真研究

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【摘要】：飞行员驾驶当代先进的飞机在高空飞行时,经常面临超高空、超低压、超高速、高过载和高低温等多种恶劣环境因素的威胁。尤其是由于飞行器在高空飞行时气压的剧烈下降,飞行员在高空飞行过程中的缺氧问题是他们面临的最严重的威胁之一。这就需要采用完善的供氧设备和供氧技术为驾驶飞行器的飞行员提供稳定可靠的高空供氧服务。近年来,随着机载分子筛制氧、低总压供氧和全身一体化带偿服装备等先进技术的应用,使得飞行员飞行供氧问题的解决有了很大的进步。但是,如今最先进战机由于飞行速度极快,在完成各种战术动作过程中飞行高度变化快且变化不规则,这对供氧设备的氧气浓度控制问题提出了新的挑战。另外,由于全身一体化带偿服氧气面罩的气密性较传统的氧气面罩更好,呼吸因素对氧气面罩内部压强控制产生了较大的影响,这对飞行中飞行员佩戴的氧气面罩内的压强控制问题带来了新问题。因此,为了解决飞机在高速飞行过程中的安全、稳定和可靠的供氧问题,本文开展了飞行器的氧气调节器的供气活门开度控制问题和氧气面罩内部压强的控制问题的研究,具体的研究内容和取得的研究成果如下:在分析航空供氧生理学要求以及氧气调节器的工作原理的基础上,建立了氧气调节器的活门开度与飞机飞行高度之间关系的数学模型,设计了一种模糊控制器来对供氧调节器的氧气和空气活门开度进行控制;应用MATLAB软件平台的Simulink模块对模糊控制方法的可行性和有效性进行了仿真实验验证;仿真实验结果表明,本文中所给出的模糊控制规则合理,能够使得氧气调节器为飞行员提供符合含氧浓度要求的混合气体。其次,针对全身一体化带偿服氧气面罩内部的压强容易受到飞行员呼吸的频率和深浅、氧气调节器供气以及面罩内部排气等因素的干扰问题,本文在对已有的实验数据分析的基础上,根据流体力学原理,建立了航空氧气面罩内部压强控制问题的数学模型;设计了通过控制氧气调节器的进气阀门的开度来控制面罩内部压强的PID控制器;最后使用EASY5仿真软件,设计了航空氧气面罩内部压强控制问题的仿真模型,并进行了对氧气调节器的进气阀门开度的PID控制来调节氧气面罩内部压强的仿真实验。仿真实验结果表明,通过对PID控制器参数的调整优化,可以使飞行员在只产生轻度呼吸阻力感的情况下保证其顺畅呼吸。最后,根据仿真实验所得到的优化结构参数,设计和搭建了氧气面罩内部压强控制的实验平台,并在平台上进行了氧气面罩内部压强控制系统的试验和数据采集。经过与仿真试验的实验结果的对比验证,证明了论文所提出的氧气面罩内部压强控制系统的数学模型以及仿真模型的正确性。
【关键词】：氧气面罩 氧气调节器 压强控制 模糊控制 PID控制
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V245.31
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究的背景和意义10-12
• 1.1.1 航空供氧问题10
• 1.1.2 氧气调节器的供氧浓度控制问题以及解决措施10-11
• 1.1.3 氧气面罩的内部压强控制问题以及解决措施11-12
• 1.2 航空供氧系统的研究现状12-16
• 1.2.1 航空供氧技术的研究现状12-14
• 1.2.2 供氧浓度控制问题的国内外研究现状14-15
• 1.2.3 氧气面罩内部压强控制问题的国内外研究现状15-16
• 1.3 本文组织结构介绍16-18
• 1.3.1 本文的研究内容16-17
• 1.3.2 本文框架17-18
• 第二章 航空氧气调节器的供氧浓度控制的仿真研究18-33
• 2.1 航空供氧生理学要求18-22
• 2.1.1 高空环境压强18-20
• 2.1.2 高空供氧生理要求与氧气调节器供氧浓度要求20-22
• 2.2 氧气调节器的工作原理以及结构参数设计22-24
• 2.2.1 氧气调节器的工作原理22-23
• 2.2.2 氧气调节器的工作方式23-24
• 2.2.3 氧气调节器的参数设计24
• 2.3 问题数学模型的建立24-26
• 2.4 模糊控制算法的设计26-30
• 2.4.1 输入模糊化26-28
• 2.4.2 模糊控制规则28-29
• 2.4.3 解模糊29-30
• 2.5 基于Matlab/Simulink的仿真模型以及仿真结果30-32
• 2.6 本章小结32-33
• 第三章 基于EASY5的航空氧气面罩内部压强控制问的仿真研究33-53
• 3.1 Easy5流体动力学软件33-35
• 3.2 航空供氧面罩内压强控制的理论要求35-36
• 3.2.1 面罩内部压强控制35
• 3.2.2 呼吸阻力35-36
• 3.3 氧气面罩的工作原理36-38
• 3.3.1 航空氧气面罩的工作原理36-37
• 3.3.2 航空氧气面罩的气路结构37-38
• 3.4 问题的数学模型以及仿真模型的设计38-48
• 3.4.1 面罩内部空间模块38-40
• 3.4.2 单项阀门模块设计40-42
• 3.4.3 管路模块设计42-45
• 3.4.4 呼吸模块设计45-46
• 3.4.5 总体设计46-48
• 3.5 仿真实验结果以及结果分析48-52
• 3.6 本章小结52-53
• 第四章 实验平台的搭建与实验53-59
• 4.1 航空氧气面罩供气压强控制实验平台的搭建53-55
• 4.2 供气压强控制实验与实验结果55-58
• 4.3 本章小结58-59
• 第五章 总结与展望59-60
• 5.1 全文总结59
• 5.2 展望59-60
• 参考文献60-62
• 发表论文和科研情况说明62-63
• 致谢63-64

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