一種基于專家PID控制的冰風洞穩風速控制方法

單永正，張旭超，姚惠元

中國航空工業空氣動力研究院，黑龍江 哈爾濱 150001

在風洞試驗過程中，洞內風速是否穩定將直接影響試驗結果的準確性，尤其對于冰風洞，在試驗過程中不可避免地會在拐角導流片、阻尼網等處結冰導致風洞內阻塞度顯著增加，引起風速明顯下降，因此穩風速控制系統是冰風洞測控系統中的重要組成部分。由于冰風洞穩風速控制系統本身缺乏精確的數學模型，模型參數隨工況變化而改變，雖然傳統的PID調節器結構簡單、調整方便，但當控制對象不同時，控制器的參數難以自適應調整，且難以對一些復雜的過程和參數慢時變系統進行有效控制[1]。為了保證流場品質，高效完成試驗，需要提出一種計算機控制的智能閉環調速系統。因此，文章提出一種基于專家PID控制的穩風速控制策略，該策略針對冰風洞穩風速控制系統的特點，對專家經驗數學化，不依賴數學模型來整定控制參數，將專家系統決策與PID算法結合在一起，能針對不同情況選擇不同的策略。

1 穩風速系統測控原理

1.1 風速的計算

風洞運行時的馬赫數由公式（1）決定：

式中：p0為穩定段總壓；ps為試驗段靜壓；k為比熱比，k=Cp/Cv，對于空氣k=1.4。

式中：a為聲速；V為風速。

由此可見，風速是穩定段總壓、試驗段靜壓和溫度的函數，即V=f(p0,ps,T)。

1.2 控制原理

常規PID控制原理簡單，使用方便，魯棒性較強，在理論上有成熟的穩定性設計和參數整定方法，不過常規調節器的控制參數具有固定形式，不易在線調整，且參數整定過程長，參數間相互影響，折中后難以收到最優效果。專家系統則是一個智能計算機程序，含有大量專家水平的知識和經驗，能模擬人類專家的思維過程進行推理從而自主地選擇控制算法，配置相關參數。與專家系統不同，專家控制更多的是做獨立的、實時的、在線的控制，而不僅是一種離線的、輔助性質的工作，因此專家控制對可靠性和抗干擾性的要求更高[2-3]。

冰風洞穩風速控制原理如圖1所示。通過風洞中的壓力和溫度傳感器反饋穩定段總壓、試驗段靜壓和溫度，經過公式（1）計算得到實際風速，再與目標風速相減得到偏差量，通過專家PID控制器給出執行機構的輸入（電機轉速）。

圖1 冰風洞穩風速控制原理圖

控制器由兩部分組成。（1）經典PID控制器：直接對被控對象進行閉環控制，并且Kp，KI，KD三個參數為在線整定。（2）專家決策：根據系統的運行狀態，調節PID控制器的參數[4]。

專家PID控制就是基于被控對象和控制規律的各種知識，而不需要知道被控對象的精確模型，利用專家經驗來設計PID參數[5]。假設當前為第k采樣，當前偏差為e(k)，同樣前一采樣時刻的偏差為e(k-1)，而前兩個采樣時刻的偏差為e(k-2)，則可以得到兩次的偏差增量：

偏差增量的增量：

再設定偏差的一個極大值，記為Mmax；設定一個偏差較大的中間值，記為Mmid；設定一個偏差的極小值，記為Mmin。根據以上偏差、偏差增量以及偏差極值的設定，分析如下。

② 當e(k)?e(k)＜0且 ?e(k)?e(k?1)＞0或 者e(k)=0時，說明偏差的絕對值是收斂的，或者已經達到平衡狀態，此時保持控制器輸出不變即可。即

③當e(k)?e(k)＜0且 ?e(k)?e(k?1)＜0時，說明偏差處于極限狀態。如果此時偏差的絕對值較大，，可以考慮實施較強控制作用。

式中：k1為增益放大系數，取大于1的值；k2為增益抑制系數，取大于0而小于1的值。

2 算法設計

根據前文的分析已經得到了基本的規則庫同時也有相應的推理機，進而實現了一個專家PID控制器，這是一種專家規則直接與PID算法相結合的直接型專家控制器。針對冰風洞試驗要求，再根據專家經驗選取各參數，得到最終算法。

3 實例與結果分析

針對某冰風洞的一次吹風調試，在試驗段靜溫為-33℃，目標風速為80m/s的條件下，開啟噴霧結冰系統，運用文章設計的專家PID控制器來控制冰風洞的風速。相同時段內風速和電機轉速的曲線如圖2、圖3所示。

圖2 風速在專家PID控制下的效果

圖3 專家PID控制下的電機轉速曲線

由圖3可以看出，由于在低溫環境中開啟噴霧，在試驗中結冰造成阻塞度增加，為了保證風速穩定，必然要不斷提高電機轉速；圖2則表明在文章設計的專家PID控制算法下，穩風速控制效果良好，在風洞內堵塞度不斷增大的情況下，風速波動很小，完全滿足試驗需求。

4 結束語

從試驗曲線來看，將文章設計的方法應用在某冰風洞穩風速控制系統中能夠滿足型號試驗對穩風速的高品質要求，具有良好的工業應用前景。改進專家PID控制器，進一步提高其計算速度，優化控制參數，將是下一步工作的發展方向。同時，文章方法還可以類比地應用于其他回流式低速風洞的穩風速控制系統。