飛機多發引氣系統流量平衡控制設計與應用

鄭旭洲 楊丹

摘要：針對某型飛機飛行試驗中引氣系統流量不平衡的問題，按照不同構型用戶系統的用氣需求，設計了基于多源并聯管網流量平衡的引氣控制系統，運用增量式PID控制算法對整個系統進行控制，編寫了系統的流量控制軟件，并通過系統試驗加以驗證。結果表明，本文中采用的流量平衡控制方法能夠將多發引氣系統的流量差異控制在20%以內。

關鍵詞：引氣系統;流量平衡;增量式PID控制

中圖分類號：V267 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）07-0001-03

0 引言

飛機引氣系統是給空調系統、機翼防冰系統等關聯系統提供溫度和壓力預調的空氣，在地面和空中從不同的氣源起動發動機，控制和監控從發動機、APU或者地面高壓氣源的引氣和分配的環控系統的子系統[1]。引氣系統不僅是環境控制系統的關鍵分系統，也是發動機的關鍵系統之一[2]，其設計合理與否直接關系到飛機安全性和系統運行經濟性[3]。

大型飛機的引氣系統通常采用多臺發動機同時引氣的構型。在某型飛機試飛階段，出現了多臺發動機同時引氣時流量不平衡的問題，即在保證下游總的用氣量前提下，每臺發動機的引氣量相差超過70%，致使發動機的用氣可能出現單路引氣超量的現象，從而可能影響發動機的動力，給飛機飛行安全帶來隱患。另外，發動機引氣的流量還受環控系統不同工況的影響，環控系統的工作狀態繁多，構型復雜。因此，對發動機引氣流量平衡控制方法的探索和研究是十分重要和關鍵的。

目前國內大型飛機多發引氣系統對于多臺發動機、APU及地面氣源供氣構成的多源并聯管網，在溫度與壓力的綜合控制、系統故障隔斷、極限保護以及構型控制等方面已經進行了相關研究，但對多臺發動機并聯供氣時相關支路的流量平衡控制尚處于原理性探索階段，對于工程設計和應用還存在不足。

對于多數氣體的流量控制而言，一般具有慣性大、滯后性強、非線性等特點，通過傳統的PID算法實現對系統的高精度控制較為困難。雖然PID控制的改進算法較多，如模糊PID控制、基于神經網絡的PID控制等，但計算過程較為復雜。本文采用增量式PID控制算法為基礎，結合專家規則，設計了基于多源并聯管網流量平衡的引氣控制系統，編制了系統的控制軟件，實際運行效果較好，且方法簡單易行。

1 增量式PID控制原理

其中：ΔU（k）為第k時刻的輸出增量，每次的輸出量U（k）是通過本次增量累加上一次輸出量U（k-1）得到的，即U（k）=U（k-1）+ΔU（k）。增量式PID計算結果是增量，所以系統產生的誤動作對輸出結果的影響較弱，通過邏輯判斷能使影響消除。其次，增量的計算只與三次相鄰采樣值相關，使用加權處理的方法能改善控制效果。比例系數KP能改變響應速率，可對系統偏差做出及時響應[4]，但可能引起較大超調;積分系數KI可以用來消除系統穩態誤差[5]，但可能由于積分飽和致使系統出現較大超調;微分系數KD可以消除系統振蕩，但可能出現動態超調。

2 流量平衡控制系統

本文的控制對象是各支路引氣系統的流量。發動機引氣系統是通過中、高壓級引氣活門切換、再經過壓力調節和溫度調節，從而提供滿足不同構型用戶系統的用氣需求。整個控制系統的基本結構如圖1所示。系統主要由4條引氣支路組成，每條支路包含中壓單向活門、高壓引氣活門、壓差傳感器、壓調活門、預冷器及反壓活門組成。正常供氣時由引氣主管路的隔斷活門隔離，因此在正常狀態下左、右側支路之間供氣流量不會出現干擾，從而導致流量出現較大偏差。若某路引氣失效，不足四發引氣供氣時，隔斷活門會自動打開，此時，需要對所有支路引氣流量進行平衡控制。本文只討論正常引氣時流量平衡控制，由于左右兩側引氣隔離，其單側兩路流量控制方法相同，因此下面針對單側兩路引氣流量的控制開展研究。引氣流量平衡控制系統如圖1所示。

系統的流量控制過程主要為，綜合管理計算機實時采集每條支路上壓差傳感器（DP）的電流值i，根據公式計算出各支路引氣流量GE，從而得出系統的平均流量GLA。再根據增量PID控制算法計算出輸出量U，通過綜合管理計算機輸出相應的電流指令I，從而控制壓調活門的開度，進而控制整個系統各支路流量的變化，使之達到相對平衡。

3 流量平衡控制方法

3.1 系統控制邏輯

4 流量平衡控制軟件

流量平衡控制軟件主流程如圖2所示。

根據圖2可知，控制系統主流程的軟件模塊主要包括：初始化模塊、信號采集模塊、引氣流量計算模塊和活門控制量計算模塊。

5 試驗結果與分析

基于本次設計的流量平衡控制系統，以增量式PID控制算法為基礎，結合專家規則，通過某型飛機地面單側雙發引氣系統試驗，分別從引氣出口壓力變化以及下游用戶用氣構型改變兩種情況，對流量平衡控制系統的控制效果進行驗證，如圖3、圖4所示。

從圖3和圖4可以看出，使用本文設計的控制系統和PID控制算法，能夠將多發引氣系統中兩側引氣流量偏差控制在20%以內。該系統的設計已成功應用于某型飛機設計和試驗中，對于引氣系統三發同時供氣的構型仍需要進一步驗證和研究。

6 結語

本文針對某型飛機飛行試驗中引氣系統流量不平衡的問題，設計了基于多源并聯管網流量平衡的引氣控制系統，運用增量式PID，結合專家規則，實現了對多發引氣系統流量平衡的精準控制，將各路引氣流量偏差控制在20%以內，滿足系統的控制精度要求。該方法已成功應用于某型飛機系統設計中，并通過地面試驗驗證，具有一定的應用前景。

參考文獻

[1] 壽榮中，何慧姍.飛行器環境控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[2] 薛文鵬，馬昌，李瑜，楊建虎.某航空發動機引氣流量精確測量和控制[J].工程與試驗，2016，04（12）：38-40.

[3] 《飛機設計手冊》總編委會編;雷世豪分冊主編，飛機設計手冊第15冊：生命保障和環控系統設計[M].北京：航空工業出版社，1999：9.

[4] 曹柏榮，郁海華.基于VB的電子線路板自動測試系統設計[J].自動化儀表，2007，28（11）：40-42.

[5] 華山，何黎明，田作華，等.某電路板自動測試系統的設計與實現[J].測控技術，2008，27（7）：15-16+19.