基于模糊自適應(yīng)PID控制器的自動(dòng)調(diào)壓技術(shù)

周家林，敖永平，侯俊林，譚宗欣，孫海濤

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽621000)

基于模糊自適應(yīng)PID控制器的自動(dòng)調(diào)壓技術(shù)

周家林，敖永平，侯俊林，譚宗欣，孫海濤

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽621000)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)模擬過渡態(tài)吹風(fēng)試驗(yàn)是獲取全尺寸進(jìn)氣道模擬過渡態(tài)出口流場特性的有效方法，試驗(yàn)中為精確控制進(jìn)氣道出口流量，需對抽氣壓力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。提出采用具有控制精度高、魯棒性強(qiáng)且能縮短系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間等特點(diǎn)的模糊自適應(yīng)PID控制器，來實(shí)現(xiàn)抽氣壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)。與常規(guī)PID控制器的對比驗(yàn)證表明，模糊自適應(yīng)PID控制器能快速響應(yīng)氣流流量變化，抽氣壓力控制精度高、控制品質(zhì)良好。自動(dòng)調(diào)壓控制系統(tǒng)很好地滿足了航空發(fā)動(dòng)機(jī)全尺寸進(jìn)氣道模擬過渡態(tài)吹風(fēng)試驗(yàn)的需求，成功獲取了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和加減速過程中進(jìn)氣道的流量特性、總壓恢復(fù)特性和畸變特性，為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和加減速控制規(guī)律的制定提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；吹風(fēng)試驗(yàn)；模糊控制；自動(dòng)調(diào)壓；PID控制；PLC控制器；過渡態(tài)；進(jìn)氣道

PLC controller；transition state；air intake

1 引言

進(jìn)氣道作為發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣機(jī)構(gòu)，與發(fā)動(dòng)機(jī)性能有著密切聯(lián)系。開展全尺寸進(jìn)氣道模擬過渡態(tài)吹風(fēng)試驗(yàn)，能夠得到發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和加減速過程中進(jìn)氣道的流量特性、總壓恢復(fù)特性和畸變特性，為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和加減速控制規(guī)律的制定提供真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)，也為研究風(fēng)扇/壓氣機(jī)過渡態(tài)穩(wěn)定裕度損失帶來的發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性問題提供了數(shù)據(jù)支持。

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件試驗(yàn)多以穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)為主，采用恒態(tài)控制即可滿足多數(shù)試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)的調(diào)節(jié)要求。但針對過渡態(tài)吹風(fēng)試驗(yàn)，則需具備時(shí)序控制功能的自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)，以滿足精準(zhǔn)調(diào)節(jié)的試驗(yàn)需求。為此，常采用可靠性高、算法簡單的常規(guī)PID控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制[1]。然而，常規(guī)PID控制器的參數(shù)一般采用工程整定方法，一旦確定將不會(huì)自適應(yīng)改變。對于工況變化劇烈的全尺寸進(jìn)氣道模擬過渡態(tài)吹風(fēng)試驗(yàn)，常規(guī)PID控制器很難滿足動(dòng)態(tài)響應(yīng)、控制精度的要求。因此，具有適應(yīng)性強(qiáng)、不依賴模型、響應(yīng)速度快、易于編程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)[2]的模糊自適應(yīng)PID控制器是實(shí)現(xiàn)全尺寸進(jìn)氣道模擬過渡態(tài)吹風(fēng)試驗(yàn)中的自動(dòng)調(diào)壓技術(shù)的最佳選擇。

本文通過對自動(dòng)調(diào)壓控制系統(tǒng)功能需求及氣動(dòng)流程的分析、結(jié)合模糊自適應(yīng)PID控制器原理，設(shè)計(jì)了模糊自適應(yīng)PID控制器，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)壓。利用該控制器，在全尺寸進(jìn)氣道模擬過渡態(tài)吹風(fēng)試驗(yàn)成功獲取發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和加減速過程中進(jìn)氣道的流量特性、總壓恢復(fù)特性和畸變特性，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)壓技術(shù)在國內(nèi)燃燒試驗(yàn)中的首次應(yīng)用，為適應(yīng)新的試驗(yàn)?zāi)Ｊ郊靶枨蟮於肆己没A(chǔ)。

2 控制系統(tǒng)功能及氣動(dòng)流程

自動(dòng)調(diào)壓控制系統(tǒng)依據(jù)全尺寸進(jìn)氣道模擬過渡態(tài)吹風(fēng)試驗(yàn)需求搭建。吹風(fēng)試驗(yàn)采用吸氣式風(fēng)洞原理，其氣動(dòng)流程原理如圖1所示。試驗(yàn)中，通過對115液壓閥(抽氣閥)進(jìn)行時(shí)序控制實(shí)現(xiàn)流量大小的調(diào)節(jié)，對114液壓閥(補(bǔ)氣閥)進(jìn)行自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)115液壓閥后壓力穩(wěn)定。依據(jù)閥門的流量特性，如果115液壓閥閥后壓力保持不變，通過試驗(yàn)件的流量只與115液壓閥的開度有關(guān)。因此，采用114液壓閥的模糊自適應(yīng)PID自動(dòng)控制技術(shù)和115液壓閥時(shí)序控制技術(shù)，即可完成試驗(yàn)狀態(tài)(空氣流量、壓力等參數(shù))的精準(zhǔn)控制，為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和加減速控制規(guī)律的制定提供真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖1 控制系統(tǒng)氣動(dòng)流程原理圖Fig.1 The aerodynamic flow chatof the control system

3 模糊自適應(yīng)PID控制器原理

模糊自適應(yīng)PID控制器運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則和有關(guān)信息作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫中。計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理建立PID控制器的比例增益、積分增益、微分增益與偏差e及偏差變化率ec之間的關(guān)系。根據(jù)不同的e和ec在線自適應(yīng)調(diào)整PID控制器三個(gè)參數(shù)的值，以滿足不同e和ec對控制參數(shù)的不同要求，從而使被控對象具有良好的穩(wěn)態(tài)、過渡態(tài)性能。模糊PID控制器的原理如圖2所示，圖中r為系統(tǒng)輸入(給定壓力)，y為系統(tǒng)輸出(實(shí)時(shí)壓力)[3]。

圖2 模糊PID控制器原理框圖Fig.2 Functionaldiagram of fuzzy PID controller

4 模糊自適應(yīng)PID控制器設(shè)計(jì)[4]

模糊控制器的設(shè)計(jì)主要包括模糊化、模糊規(guī)則確定、模糊推理、去模糊化四個(gè)部分。文中模糊控制器的輸入為115液壓閥閥后壓力的偏差e及偏差變化率ec，輸出為PID控制器比例、積分、微分增益的變化量ΔKp、ΔKi和ΔKd。

4.1 模糊論域及模糊化

4.1.1 模糊論域

4.1.2 模糊化

在論域E和EC上定義5個(gè)模糊子集，在論域Up、Ui及Ud上也定義5個(gè)模糊子集。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)，采用三角形隸屬函數(shù)，得到不同模糊子集的隸屬函數(shù)。偏差和偏差變化率的隸屬函數(shù)如圖3所示，ΔKp、ΔKi和ΔKd的隸屬函數(shù)如圖4所示。

4.2 模糊規(guī)則的確定

模糊規(guī)則的確定是把控制策略的自然語言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能接受的算法語言的過程。根據(jù)技術(shù)知識(shí)和實(shí)際工程中的操作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)得到ΔKp、ΔKi和ΔKd的模糊規(guī)則表(表1)。基本論域中具有物理意義的精確量，進(jìn)而對被控對象進(jìn)行控制。本文選擇較為常用的模糊判決方法——加權(quán)平均判決法進(jìn)行去模糊化處理，加權(quán)平均判決法如式(1)所示：

圖3 偏差和偏差變化率的隸屬函數(shù)Fig.3Membershipfunctionofeandec

圖4 ΔKp、ΔKi和ΔKd的隸屬函數(shù)Fig.4MembershipfunctionofΔKp,ΔKiandΔKd

式中:ki是加權(quán)系數(shù)，選取控制量模糊集中相應(yīng)元素的隸屬度作為加權(quán)系數(shù)，隸屬度值的范圍是[0，1]；ui是控制量論域中相應(yīng)元素的值。

最終，利用獲得的增益變化量 ΔKp、ΔKi和ΔKd，對常規(guī)PID參數(shù)Kp、Ki和Kd進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，得到模糊自適應(yīng)PID控制參數(shù)。

5 控制系統(tǒng)工程實(shí)施

采用上位機(jī)組態(tài)軟件及下位機(jī)PLC控制軟件編程實(shí)現(xiàn)基于模糊自適應(yīng)PID控制器的自動(dòng)調(diào)壓技術(shù)，驗(yàn)證模糊自適應(yīng)PID控制器的控制效果[5]。組態(tài)監(jiān)控界面如圖5所示。

表1 ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊規(guī)則表Table1FuzzyregulationchartofΔKp,ΔKiandΔKd

圖5 組態(tài)監(jiān)控界面Fig.5Configurationinterfaceofsupervisionandcontrol

4.3 模糊推理

根據(jù)模糊規(guī)則表及合成推理算法可推理求出總的模糊關(guān)系。表1中每項(xiàng)對應(yīng)一個(gè)模糊條件語句“若A且B則C及D及E”，即利用如果……那么語句得到一個(gè)模糊關(guān)系，最后將所有的模糊關(guān)系匯集在一起得到總的模糊關(guān)系表。例如，第一條規(guī)則和最后一條規(guī)則對應(yīng)的模糊關(guān)系分別為：

如果e是NB，ec是NB，那么ΔKp是PB，ΔKi是NB，ΔKd是PS；

如果e是PB，ec是PB，那么ΔKp是NB，ΔKi是PB，ΔKd是PB。

4.4 去模糊化

模糊控制器的輸出是一個(gè)模糊量，也就是ΔKp、ΔKi和ΔKd在各自輸出語言值上的隸屬度。必須經(jīng)過模糊判決，即去模糊化處理，將模糊量變?yōu)榭刂屏?/p>

5.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

自動(dòng)調(diào)壓控制系統(tǒng)需要快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)全尺寸進(jìn)氣道模擬過渡態(tài)吹風(fēng)試驗(yàn)起動(dòng)過程及真實(shí)加減速過程中氣流流量的變化，以保持115液壓閥閥后壓力穩(wěn)定。試驗(yàn)前，在確保液壓閥前后壓差不變的情況下，通過穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)得到準(zhǔn)確的進(jìn)氣閥開度-流量對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而對115液壓閥進(jìn)行時(shí)序控制。

5.1.1 起動(dòng)過程

全尺寸進(jìn)氣道模擬起動(dòng)過程，是指從接收到起動(dòng)信號(hào)并到達(dá)慢車轉(zhuǎn)速(最大轉(zhuǎn)速的65%)的進(jìn)氣道流量變化過程。起動(dòng)過程曲線如圖6所示，可見空氣流量(紅線)能夠根據(jù)115閥開度(綠線)的變化而變化。114閥的作用是保持115閥閥后壓力(藍(lán)線)穩(wěn)定，115閥閥后壓力控制目標(biāo)72.0 kPa，控制精度達(dá)到1.0 kPa。

圖6 起動(dòng)過程曲線Fig.6 Curve of startprocess

5.1.2 真實(shí)加減速過程

真實(shí)加減速過程是指發(fā)動(dòng)機(jī)加速到最大速度或由最大速度減速到慢車狀態(tài)的進(jìn)氣道流量變化過程。根據(jù)先期摸索結(jié)果，相對應(yīng)的115閥開度變化過程是24%→37%→24%，過渡時(shí)間約0.5 s，閥后壓力控制目標(biāo)54.5 kPa。圖7為發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)加減速過程曲線。由圖可知：115閥能夠根據(jù)時(shí)序定位控制自動(dòng)到達(dá)設(shè)定位置，閥位變化稍有滯后；114閥可根據(jù)115閥閥后壓力變化自動(dòng)調(diào)節(jié)；115閥閥后壓力控制精度較高，達(dá)到1.0 kPa。氣流流量也能根據(jù)115閥開度的變化而增大、保持或減小，114閥與115閥協(xié)同工作效果良好。

圖7 真實(shí)加減速過程曲線Fig.7 Real curves during acceleration and deceleration process

5.2 對比驗(yàn)證

為對比常規(guī)PID控制器與模糊自適應(yīng)PID控制器對空氣流量變化的調(diào)節(jié)效果，將模糊PID控制器原理圖(圖2)中模糊推理模塊去掉，進(jìn)行真實(shí)加減速過程中空氣流量的調(diào)節(jié)，并記錄調(diào)節(jié)過程中115閥閥后壓力和空氣流量變化。兩次試驗(yàn)結(jié)果對比驗(yàn)證曲線見圖8。由圖可知：穩(wěn)態(tài)過程中調(diào)節(jié)效果幾乎相同，常規(guī)PID控制器有很小的壓力波動(dòng)，流量基本保持一致。但在過渡態(tài)，常規(guī)PID控制器壓力有較為明顯的波動(dòng)，流量響應(yīng)過程也有一定的延遲，無法滿足1.0 kPa的壓力控制精度要求和快速響應(yīng)要求；基于模糊自適應(yīng)PID控制器的自動(dòng)調(diào)壓控制系統(tǒng)具有較好的控制效果，控制精度1.0 kPa，滿足試驗(yàn)需求。

圖8 與常規(guī)PID控制器的對比驗(yàn)證曲線Fig.8 Comparison curvewith regular PID controller

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了全尺寸進(jìn)氣道模擬過渡態(tài)吹風(fēng)試驗(yàn)自動(dòng)調(diào)壓控制系統(tǒng)的控制算法及程序。與傳統(tǒng)PID控制器相比較，模糊自適應(yīng)PID控制器大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性，無超調(diào)量，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，具有較高的控制精度和良好的調(diào)節(jié)效果。自動(dòng)調(diào)壓控制系統(tǒng)能夠滿足并已成功應(yīng)用于試驗(yàn)，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和加減速過程中進(jìn)氣道的流量特性、總壓恢復(fù)特性和畸變特性，為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制規(guī)律和加減速控制規(guī)律的制定提供了真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)。

[1]方康玲，王新民，劉彥春.過程控制系統(tǒng)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2002.

[2]楊大勇，李 鳴.模糊PID控制在過程控制裝置上的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，10：20—22.

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[4]張 娜.基于PLC的PID-模糊控制算法在水箱液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，2：185—188.

[5]張 娜.PLC實(shí)現(xiàn)的FUZZY自適應(yīng)PID控制器在高空模擬試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2011，30(1)：20—24.

Pressure self-regu lation technology based on fuzzy-adap tive PID controller

ZHOU Jia-lin，AO Yong-ping，HOU Jun-lin，TAN Zong-xin，SUN Hai-tao
(AECCSichuan Gas Turbine Establishment，Mianyang 621000，China)

Simulation of transientwind blow testof the aircraftengine is an effectiveway to obtain flow dis?tribution characteristic of the outlet in the full-scale air intake.To accurately control ofoutputmass flow of air intake,the self-regulation of the air-bleed pressure is needed.Fuzzy-adaptive PID controllerwhich has the advantages of high precision,strong robustness and shorter time for the system coming into steady state, was proposed to realize the self-regulation of the air-bleed pressure.Compared with regular PID controller, fuzzy-adaptive PID controller can rapidly respond to the fast-change of airflow,and ithas a higher control accuracy of the air-bleed pressure,with good control effect.Self-regulation control system of the air-bleed pressure satisfied the requirement of test and acquired the characteristics of intake flow,total pressure re?covery,distortion of engine start-up,acceleration and deceleration process,so to provide test data basis for the constitution of control rule in the engine start-up,acceleration and deceleration process.

aero-engine；blow wind test；fuzzy control；pressure self-regulation；PID control；

V233.7

A

1672-2620(2017)03-0053-04

2016-05-04；

2017-06-12

周家林(1978-)，男，四川廣安人，高級工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒試驗(yàn)及測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)。