基于LabVIEW的吞雨測控系統

焦崗 韓陽 侯海軍 薛卓

摘 要：本文通過Simulink建模仿真，分析在不同控制器模式下系統對階躍信號的響應，為系統選擇最合適的控制器。以此為依據完成了測控系統的電路設計、軟件設計及實現。在后續的試驗過程中發現，系統在控制流量的過程中出現振蕩收斂以及流量信號大擾動的現象。分析后得出，由于供水系統設計的缺陷，導致經典PID控制效果不理想，采用基于LabVIEW的積分分離PID算法對系統控制軟件進行改進，解決了控制過程振蕩收斂的問題，并取得了較好的控制效果。此外，通過信號隔離鏡像的方法解決了流量傳感器同時傳輸瞬時流量和累積流量時，瞬時流量信號出現大擾動信號的問題。

關鍵詞：控制 Simulink 積分分離PID LabVIEW

Abstract： Through Simulink modeling and simulation， this paper analyzes the response of the system to the step signal under different controller modes， and selects the most appropriate controller for the system. Based on this， the circuit design， software design and implementation of the measurement and control system are completed. In the course of subsequent tests， oscillation convergence and large disturbance of flow signal appear in the process of flow control. After analysis， it is concluded that the classical PID control effect is not ideal due to the defects of water supply system design. The integral separation PID algorithm based on LabVIEW is used to improve the system control software， solve the problem of oscillation convergence in the control process， and achieve good control effect. At the same time， the problem that the instantaneous flow signal appears big disturbance when the flow sensor transmits instantaneous flow and cumulative flow simultaneously is solved by signal isolation mirror method.

Key Words： Control; Simulink; Integral separation PID; LabVIEW

飛機在飛行中由于氣象條件的變化，導致發動機進口可能吸入大量的雨水，這將會改變發動機的工作狀態，可能造成發動機熄火、喘振、機械損壞，甚至嚴重的推力損失。為了模擬吞水對發動機性能和穩定性的影響，開展航空發動機吞水試驗技術研究， 國軍標明確了各型發動機吞水試驗的依據標準和方法。

發動機裝機吞水試驗是驗證飛機平臺復雜氣象環境下使用性能的重要前置試驗科目，對明確飛機雨天使用限制以及化解后續試飛風險具有重大意義，是國軍標明確的試驗科目，更是發動機試飛的關鍵技術。此前，我國在20世紀80年代就曾開展過航空發動機吞水試驗，但此次準備開展的工作是發動機裝機狀態下的試驗，發動機裝機狀態下具有技術難度大、配套設備復雜、試驗風險高等特點，于國內尚屬首次。而發動機雨滴模擬裝置即發動機吸雨裝置，無疑是這一試驗中不可或缺的重要組成部分。

為研制某型發動機吞雨裝置，為解決流量控制、壓力控制問題，需要研制吞雨測控系統，本文就該系統的控制問題進行探討。

1 系統分析與建模

1.1簡化框圖模型

系統的簡化框圖模型如圖1所示（以流量閉環控制為例，壓力閉環控制同理）。

1.2比例閥模型

比例閥模型[1]：

現取轉速5r/min，阻尼比=0.6，固有頻率=0.524rad/s，流量增益，計算后比例閥模型：

1.3電機模型

電機模型[2]：

Km：電機增益系數Km=1。

Tm：電機機械時間常數Tm=0.0152。

Te：電機電氣時間常數Te=0.0035。

電機模型：

1.4泵模型及放大器增益

泵模型：

Q：流量0.6 （m3/min） 。

n：轉速2000 （r/min）? 。

K：常數。

KB：放大器增益。

簡化模型令KB×K=1。

1.5系統時域模型

系統模型如圖2所示。

2 系統的動態及穩態性能

當系統模型建立完成后，選擇其最合適的控制器，對后續系統設計、軟件編寫、系統調試都具有十分重要的指導意義。

一般而言，階躍輸入對系統來說是最嚴峻的工作狀態。如果系統在階躍函數作用下的動態性能[3]滿足要求，那么系統在其他形式的函數作用下，其動態性能也是令人滿意的。

穩態誤差[4]是描述系統穩態性能的一種指標，通常在階躍函數、斜坡函數或加速度函數作用下進行測定或計算。本文中的穩態誤差只是近似計算。

該模型在不同控制器下（P、PI、PD、PID），采用階躍輸入下，系統的響應如圖3所示。

具體指標如表1所示。

由于微分控制[4]反映誤差信號的變化趨勢，因此它能在誤差信號出現變化之前給出校正信號，防止系統出現過大的偏離和振蕩。積分控制，使系統的型別增加一級，因而可以有效地改善系統的穩態精度。

通過參數比較理論上，顯然在該系統中使用PID控制器較為合適，雖然相較其余3種經典控制器，損失了一些系統性能，如到達峰值時間即系統的響應速度變慢，超調比PD控制器大等，但是經典PID控制器消除了靜態誤差，提高了穩態精度，表明其是最適合本文系統的，故在后續設計時，控制優先采用經典PID控制器進行控制。

3 測控系統搭建及實現

要驗證經典PID控制器在實際系統中能否發揮出應有的作用，首先需要設計并完成供水管路及測控系統的搭建，本文的測控系統是在供水系統搭建完成后進行設計的。在設計測控系統時，優先考慮所選元器件的可靠性及經濟性[5]。

測控系統原理圖框圖如圖4所示，由工控機加采集控制模塊組成。采用研華的4路模擬量輸出模塊ADAM4024，進行模擬量的輸出控制，對比例閥開度進行控制，從而控制供水量及供水壓力。采用研華的繼電器模塊ADAM4068，進行繼電器的輸出控制，其中一路經繼電器后控制電磁開關閥動作以及指示燈顯示，另一路經接觸器回路（星三角啟動器）后控制水泵的運行狀態。采用NI的16通道差分的PCI6259模擬量采集卡進行模擬量的采集，主要采集系統的壓力、流量、溫度等 信號。采用研華的16通道ADAM4053數字量采集模塊進行數字量的采集[6]，主要采集閥門到位反饋信號、泵啟停反饋信號、控制按鈕指令信號、液位計等開關量信號。動力電380VAC，50Hz經空氣開關、斷路器后給水泵、接觸器主回路供電。市電220VAC＼50Hz（從動力電抽引）經隔離變壓器后分成三路：其中一路給顯示器及工控機供電;第二路進入線性電源轉換模塊，轉換后的電源作為測試電源，給傳感器及控制模塊供電;第三路進入開關電源轉化模塊，轉換后的電源作為控制電源，給繼電器線圈、接觸器線圈及閥門供電。工控機上帶LAN口與遠程計算機進行TCP/IP通訊，同時帶有鼠標鍵盤及顯示器接口。

測控系統軟件采用LabVIEW進行編寫，運行主界面如圖5所示。界面側上部為工況顯示，根據整個吞雨系統設備及管路安裝布局進行畫面繪制，軟件運行時，實時顯示設備運行狀態及水路循環狀態;界面左側下部為參數曲線顯示，實時顯示系統采集到的傳感器參數[7]、反饋信息、設定參數等信息，并可以根據需要，挑選需要顯示的參數曲線;界面中間上方為參數字符串顯示，以字符加單位的形式，實時顯示系統的主要參數，方便操作及試驗人員觀察;假面右上側為上位機下發參數表，即實時顯示上位機發送參數及狀態。界面中間下側為按鈕控制區域，包含手動模式、自動模式及狀態控制等控制按鈕，可以設定系統運行模式以及運行方式。界面右側下部為軟件運行控制及模式選擇按鈕，可以進行模式選擇及程序啟停控制、清除圖標等功能。

4 實際控制時的問題及解決

4.1系統控制的問題

前述論證后，自動模式下該系統采用PID經典控制器進行控制，軟件編寫完成后，反復的調整PID參數，其實際的流量控制曲線如圖6所示。

出現上述振蕩收斂的原因，主要是該系統在供水系統設計時，發動機裝機臺比較高，為了避免供水系統處于發動機進氣迎風面的考慮，供水系統整體下沉安裝在地面附近。這樣導致供水系統需要連接一根長管子，從噴水環下垂連接至地面附近。而由于系統供水量比較大，該管子的口徑相對較大，這樣一來，系統運行過程開始，需要先填充這一管路，后續流量調節也必然受這一管路影響。

由于管路較長等因素，在整個系統進行啟動、結束或大幅度增減設定等操作時，即系統在短時間內輸出很大的偏差時，系統整體呈現振蕩收斂的控制效果。

4.2系統控制問題分析

出現這一問題后，由于受試驗條件、試驗影響等現有因素影響，無法實現供水系統結構更改，故只能從控制角度進行解決。為了解決這一問題，查閱資料后，認為在該系統中引入積分分離控制的方式較為合適[8]。

積分分離控制其基本原理為：被控量與設定值偏差較大時，取消積分作用，以避免由于積分作用使系統的穩定性降低，超調量增大，從而產生較大的振蕩;當被控量接近給定值時，引入積分作用，以消除靜態誤差，提高控制精度。

積分分離PID[9]控制算法可表示為：

式中，T為采樣時間，β為積分項的開方關系數。

其中，ε為設定的閾值。

4.3系統控制問題解決

將積分分離控制器應用到本文的測控系統中，本文采用LabVIEW進行程序的編寫，編寫后的核心控制程序模塊[10]如圖7所示。即在傳統的PID控制器前加入一個條件選擇結構。將采集到的系統流量與設定流量進行比較，當差值大于閾值時，判定為假，此時引入PD參數給PID控制器，從而增強系統的穩定性，減小超調量;當差值小于閾值時，此時引入PID參數給PID控制器，以達到消除靜態誤差，提高控制精度的目的。

經過大量的調試試驗，本文設計的測控系統在試驗要求流量范圍內，系統控制時，閾值ε設定為10時，控制效果最佳。故以10為判定值自動在PID及PD控制器之間切換。

調試后，在前述震蕩收斂的狀態中，采用引入積分分離PID后的軟件，進行控制，控制效果圖如圖8所示。

由圖8可以明顯看出，積分分離PID對于本文的測控系統效果明顯，且控制結果較好。

5、流量傳感器大擾動信號的問題及解決

5.1流量傳感器的問題

由于是首次進行吞雨測控系統設計，不可避免的總會遇到一些問題。在吞雨測控系統中要求采集瞬時流量以及累計流量，并要求較高的采集速度[11]。故在搭建系統之初，采用NIPCI6259模擬量采集卡采集瞬時流量信號，同時通過RS485模塊讀取累積流量信號。系統搭建完成后，在實際使用中發現，采集過程中發現瞬時流量信號不定期會發生大擾動信號干擾。擾動信號如圖9所示。

5.2流量傳感器問題分析

分析數據，可以發現，擾動出現的時間并沒有規律性，而出現擾動的振幅基本一致，可以初步判斷出，該擾動信號是系統本身引起的。該信號為模擬量采集端口，在系統運行過程中，通過儀表監視這一端口，發現監測的數據擾動與圖9一致。

在排除管路、閥門、電路及采集卡等的因素外，將問題歸結為流量傳感器本身的問題，是由于其內置算法及電路的原因，當同時使用瞬時與累積通道時產生了該問題。與廠家溝通后，由于該產品為硬件固化成熟產品，無法從產品方面解決該問題，因此只能改變吞雨測控系統的設計進行解決。

由于在設定不同流量時，觀察該擾動，發現并無特定規律，故在軟件上進行信號濾波[12]比較困難（無法進行比例、奇值、數值等濾波），故選擇進行電路更改。

5.3流量傳感器問題解決

更改后的電路原理框圖如圖10所示。將流量傳感器的瞬時流量信號，經信號隔離器后一分為二，其中一路直接進入PCI6259模擬量采集卡，作為瞬時流量，另一路進入流量積計算儀，轉換為累積流量，通過串口信號進入測控計算機。

更改模式后的實物圖如圖11所示。

更改完成后，系統運行后，瞬時流量信號如圖12所示，沒有發現該信號出現，系統運行正常。至此，大擾動信號干擾消除。

6 結語

通過對系統典型環節進行建模仿真分析，分析系統在不同控制器下的響應，從而選出了理論上最合適的控制器。由于供水系統設計的缺陷，導致經典PID控制效果不理想，查閱大量資料后，引入積分分離PID概念，同時將LabVIEW與積分分離PID完美結合，解決了經典PID在該系統中振蕩收斂的問題，系統得到了較好的控制效果。由于流量計本身的原因，導致在系統運行時，瞬時流量出現大擾動信號。在徹底分析原因后，制定更改吞雨測控系統電路的可行性方案，即采用信號隔離鏡像的方法解決流量傳感器同時傳輸瞬時流量和累積流量時，瞬時流量信號出現大擾動信號的問題。通過理論與實際的結合，理論與工程的結合，解決了一系列問題，完成了模型發動機吞雨測控系統的研制，同時圓滿完成了試驗任務。

參考文獻

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