基于此，本文开展了三床型机载制氧系统的控制设计，依据系统控制逻辑，采用电磁阀驱动电控气动阀循环工作的控制模式，在每个分子筛半周期吸附、半周期解吸附的原则下，3个分子筛床交互工作的相位差依次相差1/3个周期。确保了三床型机载制氧系统任何时间段均有分子筛床在吸附产氧，降低产品气输出压力的波动，提高输出压力的稳定性；同时，采用高低空分段策略来调节循环周期的工作时间，避免了低空氧浓度偏高的问题；通过不同条件下的循环周期实验，确定了系统的控制参数，并进行了结构优化和系统实验验证。结果证明，系统控制设计合理，按照系统控制逻辑执行的基本循环工作模式有效，应用高低空分段调节系统循环周期时间的控制方法可行，满足了三床型机载制氧系统控制的设计需求。
1 系统控制设计 系统控制是由氧气监控器、电磁阀和电控气动阀等组成的控制系统，按照系统控制逻辑和控制方法进行工作，实现了3个分子筛床吸附、解吸附、冲洗净化的交换循环工作。其系统控制原理示意图如图 1所示。
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| 图 1 系统控制原理示意图 Fig. 1 Schematic of system control principle |
| 图选项 |
电磁阀和电控气动阀是系统控制的执行部件，氧气监控器中的系统控制逻辑和控制方法是系统控制设计的重点。
1.1 系统控制逻辑 系统基本控制模式为：按照系统控制逻辑，电磁阀通电，通过对电控气动阀膜上腔气压的间接控制，使排气阀关闭、进气阀开启，进而使分子筛床加压吸附，并打开单向活门输出富氧产品气，同时，通过冲洗装置向另外2个分子筛床输出冲洗流量；电磁阀断电，使排气阀开启、进气阀关闭，进而使该分子筛床卸压解吸附。3个分子筛床如此交互循环工作。3个分子筛床交互工作的相位差为1/3循环周期。其系统控制逻辑如图 2所示。图中：tc为循环周期时间；PH为进气高压力点；PL为进气低压力点。
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| 图 2 系统控制逻辑图 Fig. 2 System control logic diagram |
| 图选项 |
系统控制逻辑中，基本参数为系统循环周期，在其他参数相对固定的条件下，不同的系统循环周期时间，系统输出产品气的氧浓度相差甚远。因此，确定合适的系统循环周期是系统研制成功的前提。为此，在实现系统基本控制的前提下，本文通过实验研究来探索循环周期时间随产品气氧浓度的变化规律。
1.2 系统控制方法设计依据 随着飞行高度的增加，为了防止飞行员高空缺氧，需要保证供气的氧浓度满足人体生理需求，最基本的原则是保证氧气的氧分压与地面氧分压相等。在实际应用中，供给飞行员的气体氧浓度需要维持在一定的范围内。当氧浓度超过最高限值时，可能会造成肺部塌陷等问题，当氧浓度低于最低限值时，会产生高空缺氧。根据文献[12]，供气的氧浓度随着座舱高度应该满足一定的范围。图 3为随座舱高度变化的氧浓度允许范围。
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| 图 3 氧浓度允许范围随座舱高度的变化 Fig. 3 Variation of allowable oxygen concentration range with cabin height |
| 图选项 |
1.3 系统控制方法 本文采用了一种高度信号按照高空、低空两挡来调节系统循环周期。高度高，循环周期短，输出产品气的氧浓度高；反之，高度低，循环周期长，输出产品气的氧浓度低。具体的系统控制参数为：在座舱高度小于3.5 km时，系统循环周期时间采用9 s；座舱高度大于或等于3.5 km时，系统循环周期时间采用6 s。这些控制参数是通过第2节中的实验获取的。
2 实验 2.1 实验装置 实验件为一台YNQ-2(两床型机载制氧系统)和一台SCY-3(三床型机载制氧系统，其控制系统循环周期可调)。
图 4为机载制氧系统实验装置原理图。实验结果记录均为循环稳定状态时的输出参数。
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| 图 4 机载制氧系统的实验装置原理图 Fig. 4 Schematic of experimental equipment for onboard oxygen generation system |
| 图选项 |
实验所用的仪器仪表及测量器具已经过计量检定，主要实验设备、量程和精度等级见表 1。
表 1 主要实验仪器 Table 1 Main experimental instruments
| 仪器名称 | 量程 | 精度等级 | 备注 |
| 测氧仪 | 0~100% | ±2% | |
| 压力表1 | 0~1 MPa | 1.6级 | |
| 压力表2 | 0~1 MPa | 0.6级 | |
| 浮子流量计 | 0~100 L/min | 2.5级 | |
| 高度表 | 0~20 km | ||
| 直流稳压电源 | 0~32 V/0~10 A | ||
| 高度监控仪 | 0~20 km | ||
| 高温箱 | 室温~80℃ | ±2℃ | |
| 低温箱 | -60~0℃ | ±2℃ | |
| 真空泵 | 101.3 kPa~1.3 Pa | ||
| 空压机 | 0.975 MPa | ||
| 高空舱 | 0~20 km |
表选项
2.2 实验项目 1) YNQ-2和SCY-3(循环周期时间为6 s)2种机载制氧系统在输入压力为0.2 MPa、输出流量为30 L/min时，进行高度为0、4、7、11、15 km的常温实验，分别测试其输出压力的最大值和最小值。
2) 不同输入压力、输出流量等条件下，对SCY-3三床型机载制氧系统分别进行循环周期时间为3、6、9、12、15、18、21 s的实验，测试产品气的氧浓度值。
3) 在输入压力为0.2 MPa、输出流量为30 L/min的条件下，对SCY-3三床型机载制氧系统分别进行循环周期时间为6、9 s的实验，测试产品气的氧浓度值。
4) 确定了系统控制逻辑和控制方法，对SCY-3三床型机载制氧系统进行实验验证。
3 实验结果及分析 1) 2种机载制氧系统的输出压力及压力波动实验结果与分析
2种机载制氧系统输入压力均为0.2 MPa，输出流量均为30 L/min时，进行地面常温实验，图 5为产品气输出压力及波动曲线。可以看出，SCY-3具有输出压力稳定、压力波动小的特点。
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| 图 5 输入压力为0.2 MPa、输出流量为30 L/min条件下产品气输出压力与飞行高度的关系 Fig. 5 Relationship between product gas output pressure and flight height under condition of input pressure of 0.2 MPa and output flow of 30 L/min |
| 图选项 |
2) 循环周期的实验结果与分析
输入压力P、输出流量Q为设定值，在常温和高、低温条件下，产品气氧浓度与循环周期T的变化曲线如图 6所示。
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| 图 6 不同温度条件下产品气氧浓度与循环周期的关系 Fig. 6 Relationship between product oxygen concentration and cycle period under different temperature conditions |
| 图选项 |
从图 6可以看出，在输入压力和输出流量为定值条件下，氧浓度随循环周期的变化而变化，在循环周期为6~9 s时，产氧性能良好。
在高度为0 km、固定循环周期为6 s、输出流量为30 L/min条件下，进行不同输入压力的实验，测试环境温度对产品气氧浓度的影响。
图 7为高度为0 km条件下产品气氧浓度与环境温度的关系。可以看出，在常温状态下，机载制氧系统的产品气氧浓度处于高的位置，在低温和高温状态下，机载制氧系统的产品气氧浓度均低于常温状态下的产品气氧浓度。
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| 图 7 高度为0 km条件下产品气氧浓度与环境温度的关系 Fig. 7 Relationship between product gas oxygen concentration and ambient temperature at height of 0 km |
| 图选项 |
3) 在原理样机上进行循环周期分别为6、9 s的实验结果与分析
在输入压力为0.2 MPa、输出流量为30、60 L/min的条件下，不同座舱高度下产品气氧浓度的对应值如图 8所示。
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| 图 8 不同输出流量条件下产品气氧浓度与座舱高度的关系 Fig. 8 Relationship between product gas oxygen concentration and cabin height under different output flow conditions |
| 图选项 |
从图 8的实验结果曲线分析，低空时，循环周期为6 s的产品气氧浓度值超过了生理卫生学要求的氧气浓度的最大允许值；高空时，循环周期为9 s的产品气氧浓度值低于生理卫生学要求的氧气浓度的最小值。
4) 采用高度信号调节的原理样机产氧实验
原理样机需要在不同高度实施不同循环周期，系统控制采用高度信号调节循环周期。在3.5 km以下，系统以9 s的循环周期工作，在3.5 km以上，系统以6 s的循环周期工作，以确保原理样机制出的产品气符合生理卫生学要求。
实验在输入压力为0.2 MPa条件下进行, 其实验结果如图 9所示。
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| 图 9 高度信号调节循环周期条件下产品气氧浓度与座舱高度的关系 Fig. 9 Relationship between product gas oxygen concentration and cabin height under high signal regulation cycle period |
| 图选项 |
实验结果表明，在三床型机载制氧系统制氧过程中，由氧气监控器发出座舱高度压力信号，按照系统控制逻辑，控制电磁阀对电控气动阀膜上腔进行充压或泄压，实现对分子筛床循环工作，按照系统控制方法，系统循环周期按设定高度进行调节，进而实现输出产品气的氧浓度的调节，使其更好地符合高空人体生理卫生学要求，以解决两床型机载制氧系统低空氧浓度偏高的问题。
4 结论 本文进行了三床型机载制氧系统控制设计，开展了不同条件下的循环周期实验，确定了高低空采用的循环周期时间，并进行了系统实验验证。
1) 按照系统控制逻辑，控制电磁阀驱动电控气动阀，实现了3个分子筛床交互工作的相位差依次相差1/3个周期的循环工作模式，确保了三床型机载制氧系统任何时间段均有分子筛床在吸附产氧，减小了产品气输出压力的波动，提高了输出压力的稳定性。
2) 在不同输入压力、输出流量等条件下，进行了循环周期实验测试，探索了产品气氧浓度随循环周期时间变化的规律。
3) 确定了系统控制方法，在座舱高度为3.5 km及以上时，系统循环周期时间为6 s，在座舱高度为3.5 km以下时，系统循环周期时间为9 s，这种控制方法能够有效解决两床型机载制氧系统低空氧浓度偏高的问题。
通过系统实验验证，证明了系统控制逻辑合理，采用高低空分段变周期的控制方法可行，最终确定了三床型机载制氧系统的系统控制，满足了新型飞机对机载制氧系统控制的要求。
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