艙溫控制系統(tǒng)模型及算法研究

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(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,成都 610092)

0 引言

隨著飛機(jī)性能的不斷提升，環(huán)境控制系統(tǒng)的引氣及沖壓空氣的溫度和壓力將在大范圍內(nèi)變化[1]，而艙體內(nèi)的溫度直接了影響座艙人員的舒適性以及相關(guān)電子設(shè)備的可靠性[2]，所以對(duì)環(huán)境溫度控制系統(tǒng)提出了更高的要求。同時(shí)數(shù)字式閉環(huán)控制在機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，如前輪轉(zhuǎn)彎控制、防滑剎車控制、蒸發(fā)制冷控制、液冷循環(huán)控制，但目前機(jī)電工程項(xiàng)目中，很多與物理機(jī)構(gòu)相關(guān)的閉環(huán)控制功能直接整合在設(shè)備自帶的控制器上，缺乏獨(dú)立于設(shè)備存在成熟且可繼承的閉環(huán)控制技術(shù)。

選取典型的機(jī)載環(huán)控系統(tǒng)艙溫控制作為研究對(duì)象，搭建系統(tǒng)模型，通過(guò)仿真研究算法，實(shí)現(xiàn)控制律軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

艙溫控制系統(tǒng)工作原理見圖1，由沖壓空氣進(jìn)氣道捕捉?jīng)_壓空氣,然后經(jīng)回冷器預(yù)冷后,進(jìn)入冷卻渦輪中膨脹降溫,渦輪出口的低溫空氣輸入電子設(shè)備冷板冷卻電子設(shè)備,然后再通過(guò)回冷器冷邊進(jìn)入渦輪帶動(dòng)的壓氣機(jī)增壓至適當(dāng)值排出吊艙外[3]。

圖1 艙溫控制系統(tǒng)工作原理圖

實(shí)際溫度控制部分由微處理機(jī)、傳感器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥(電機(jī)和流量調(diào)節(jié)閥)組成。微處理機(jī)通過(guò)傳感器采集當(dāng)前溫度信號(hào)，通過(guò)比較艙體內(nèi)溫度的設(shè)定值，得到溫度差，再根據(jù)溫度控制算法，計(jì)算得到控制回路輸出電壓，調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的活門開度，從而控制艙體溫度。通過(guò)不斷調(diào)節(jié)控制算法中的控制參數(shù)，以使艙體溫度保持在目標(biāo)溫度周期，最終得到優(yōu)化后的控制參數(shù)。

在該溫控系統(tǒng)中實(shí)施閉環(huán)數(shù)字控制技術(shù)、開發(fā)控制軟件，并使用全數(shù)字仿真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在滿足系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間以及控制精度要求的前提下，完成了艙溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)原型平臺(tái)由四臺(tái)上位機(jī)、兩個(gè)臺(tái)機(jī)柜及一個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組成，見圖 2。四臺(tái)上位機(jī)分別用于開發(fā)調(diào)試嵌入式控制器軟件、建立數(shù)學(xué)模型、仿真監(jiān)控、人機(jī)交互程序開發(fā)，仿真目標(biāo)機(jī)中的控制器為一臺(tái)基于PPC硬件平臺(tái)、vxWorks5.5操作系統(tǒng)的嵌入式計(jì)算機(jī)，模型仿真機(jī)用于運(yùn)行模型。上位機(jī)與模型機(jī)位于同一個(gè)局域網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議按協(xié)議接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖2 系統(tǒng)原型平臺(tái)示意圖

系統(tǒng)軟件內(nèi)容主要分為模型搭建、控制器軟件設(shè)計(jì)及人機(jī)交互3個(gè)方面。系統(tǒng)總體仿真模型由環(huán)控系統(tǒng)機(jī)構(gòu)物理模型和控制模型兩大部分組成，采用Matlab中的Simulin[4]模塊進(jìn)行搭建。控制器軟件包含硬件抽象層和控制業(yè)務(wù)層，采用Tornado工具、C語(yǔ)言開發(fā)，硬件抽象層主要實(shí)現(xiàn)與模型機(jī)、監(jiān)控機(jī)建立UDP通訊、周期啟動(dòng)業(yè)務(wù)層控制任務(wù)及為業(yè)務(wù)層提供網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān)的模型及采集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)收發(fā)接口，控制層主要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制算法。人機(jī)交互界面由NI公司的LabWindows/CVI[5]開發(fā)，實(shí)現(xiàn)下發(fā)控制參數(shù)及控制目標(biāo)、上傳溫控參數(shù)并圖形化顯示的功能。

3 模型建立

根據(jù)艙溫控制系統(tǒng)工作原理，建立系統(tǒng)總體仿真模型，由環(huán)控系統(tǒng)機(jī)構(gòu)物理模型(簡(jiǎn)稱物理模型)和控制模型兩大部分組成，見圖3。

圖3 環(huán)控系統(tǒng)模型示意圖

物理模型由回?zé)崞鳌u輪、散熱冷板、壓氣機(jī)、環(huán)境模塊等組成，艙體內(nèi)的溫度變化與艙體自身的熱源、溫度水平及周圍環(huán)境有著密切的關(guān)系，遵循能量守恒定理，可以建立下述集總參數(shù)模型描述艙體內(nèi)溫度變化規(guī)律：

(1)

式中，T，T0，A0，Req分別為艙內(nèi)空氣溫度、艙外環(huán)境溫度、艙體散熱總面積和艙壁熱阻；n和m分別為主要吸熱環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)和主要放熱環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)；Mi，Ci分別為吸熱環(huán)節(jié)的質(zhì)量和比熱容；Pi為放熱環(huán)節(jié)的放熱量，假設(shè)放熱設(shè)備所有的功轉(zhuǎn)化為熱量，因此，Pi值可以取放熱設(shè)備的功率。

公式(1)經(jīng)過(guò)拉式變換[6]，可以得到艙體溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)二階控制系統(tǒng)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型為:

(2)

式中，T0是常數(shù)，圖4對(duì)應(yīng)的溫度響應(yīng)函數(shù)示意圖。

圖4 艙體溫度響應(yīng)函數(shù)示意圖

控制模型包括流量調(diào)節(jié)閥的模型、電機(jī)模型、控制器模塊，輸入期望溫度與傳感器采集的艙體實(shí)際溫度，輸出不同占空比的PWM波，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)工作功率調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥的活門開度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)艙體溫度的閉環(huán)控制。

其中，流量調(diào)節(jié)閥、電機(jī)的模型依次見圖 5、圖6。

圖5 流量調(diào)節(jié)閥模型

圖6 電機(jī)控制模型

4 控制器設(shè)計(jì)

航空領(lǐng)域環(huán)境控制算法有經(jīng)典PID控制[7]、模糊控制[8]、復(fù)合控制[9]、專家控制[6]等。機(jī)載軟件在滿足控制要求的前提下，優(yōu)先采用計(jì)算簡(jiǎn)單的算法。本次設(shè)計(jì)溫控系統(tǒng)控制器軟件中控制業(yè)務(wù)層的艙體溫度控制系統(tǒng)溫控算法首先采用經(jīng)典PID算法，即比例-積分-微分控制，該算法相對(duì)簡(jiǎn)單，魯棒性好，適用于系統(tǒng)較復(fù)雜的航空航天控制系統(tǒng)[10]，必要時(shí)再對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)。

當(dāng)控制系統(tǒng)單純使用比例環(huán)節(jié)時(shí)，控制目標(biāo)溫度值y0與系統(tǒng)當(dāng)前溫度值y滿足公式(3)：

(3)

式中，Δx是當(dāng)前值與目標(biāo)值件的偏差，kp是比例環(huán)節(jié)參數(shù)。當(dāng)y=y0*kp/(1+kp)時(shí)，同時(shí)滿足公式(3)，所以系統(tǒng)會(huì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但與目標(biāo)值之間存在穩(wěn)態(tài)靜差[11]。

此時(shí)需要增加積分環(huán)節(jié)，用于消除靜差，只要實(shí)際值與目標(biāo)值之間有偏差，就不斷累積偏差，提高系統(tǒng)無(wú)差度，但積分環(huán)節(jié)會(huì)引起系統(tǒng)的震蕩，所以必要時(shí)引入微分環(huán)節(jié)。微分環(huán)節(jié)反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，在偏差信號(hào)變化太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。

計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，連續(xù)PID算法不能直接使用，需要采用離散化算法，常用的兩種離散化算法分別是位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。本次PID控制器輸出控制步進(jìn)電機(jī)，選用增量式PID算法，依據(jù)公式(4)進(jìn)行算法設(shè)計(jì)。

(4)

由(4)化簡(jiǎn)可得:

Δu(k)=kp*(error(k)-error(k))+ki*error(k)+

kd*(error(k)+error(k-2)-error(k-1))

(5)

式中,kp、kd、ki分別是比例、積分、微分常數(shù)，error(k)表示第k次的偏差。

但由于艙溫控制系統(tǒng)具有純滯后的性質(zhì)，本次控制算法在原有PID算法上進(jìn)行了改進(jìn)，采用Smith預(yù)估器[12-15]，即在PID控制器上并接一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)。在算法上實(shí)現(xiàn)上體現(xiàn)為限制積分使用時(shí)機(jī)，在重設(shè)目標(biāo)溫度時(shí)清除上次控制過(guò)程的積分?jǐn)?shù)據(jù)，有效避免控制震蕩。

在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用依賴倒置原則，即以業(yè)務(wù)層為核心，根據(jù)系統(tǒng)控制邏輯的需要，抽象出一組與平臺(tái)無(wú)關(guān)的接口交給下層(硬件抽象層)實(shí)現(xiàn)。這樣，應(yīng)用層可以獨(dú)立于硬件層進(jìn)行演化，便于工程化應(yīng)用時(shí)跨平臺(tái)遷移。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為便于調(diào)整控制參數(shù)，在建立的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上擴(kuò)展UDP接收、發(fā)送模塊及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、顯示等模塊，如圖7所示，上位機(jī)軟件可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸，將參數(shù)下發(fā)至模型，模型能夠響應(yīng)外界控制指令，同時(shí)向外界傳輸數(shù)據(jù)反饋控制結(jié)果，進(jìn)而開展數(shù)字仿真。

圖7 數(shù)字仿真模型總體圖

5.1 實(shí)驗(yàn)步驟和方法

第一步，啟動(dòng)上位機(jī)軟件；

第二步，啟動(dòng)模型機(jī)，編譯并下載控制器軟件至下位機(jī)模型；

第三步，通過(guò)上位機(jī)軟件向下位機(jī)模型發(fā)送指令，包括控制參數(shù)及控制目標(biāo)；

第四步，通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控界面，觀察溫度實(shí)際值與目標(biāo)值，微調(diào)控制參數(shù)。

5.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線圖

設(shè)置目標(biāo)溫度為40℃，PID參數(shù)為0.1、0.2、0，仿真結(jié)束時(shí)間為Inf(無(wú)限時(shí)長(zhǎng))，仿真為固定步長(zhǎng)，步長(zhǎng)為20 ms，最終仿真控制結(jié)果見圖 8，上圖為溫控效果圖，下圖為流量閥開度調(diào)節(jié)圖。由圖可知，在45 s內(nèi)，經(jīng)過(guò)四次調(diào)節(jié)流量閥開度，艙溫穩(wěn)定在40℃。

圖8 仿真模型控制效果圖

在采集監(jiān)控軟件界面采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖 9，滿足艙溫控制要求。

圖9 原型平臺(tái)控制效果圖

5.3 結(jié)果分析

經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該溫控系統(tǒng)滿足控制要求。由于本次控制對(duì)象是數(shù)字化模型，而實(shí)際控制對(duì)象所處環(huán)境都是十分復(fù)雜的，多存在較大滯后，所以本次實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證算法。

6 結(jié)束語(yǔ)

本次溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)先采用軟件搭建模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，采用Smith預(yù)估器改進(jìn)的PID算法驗(yàn)證算法能夠完成艙溫控制要求。在此基礎(chǔ)上，快速搭建實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)原型平臺(tái)，實(shí)際實(shí)驗(yàn)證明設(shè)計(jì)控制算法可以達(dá)到艙溫控制要求。

本次設(shè)計(jì)軟件業(yè)務(wù)層獨(dú)立于硬件層進(jìn)行設(shè)計(jì)，在實(shí)際工程應(yīng)用中，僅需依次使用真實(shí)硬件替換嵌入式開發(fā)目標(biāo)機(jī)、使用系統(tǒng)實(shí)物替換數(shù)學(xué)模型、使用AD、DA、PWM等工程IO接口替換以太網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)全數(shù)字向全實(shí)物有序過(guò)渡，為后續(xù)工程應(yīng)用項(xiàng)目提供了基礎(chǔ)。