飛機座艙蓋試驗臺增壓系統分段PID控制器設計

涂喻昕，馬春香，張賢錦，楊蓓，王云

(1.南昌航空大學 飛行器工程學院， 南昌 330063) (2.江西洪都航空工業集團有限責任公司 650飛機設計研究所， 南昌 330024)

0 引 言

座艙增壓系統是飛行器生命保障系統的重要實驗設施之一。飛機在飛行過程中，隨著飛行高度的不斷提升，座艙蓋有機玻璃很容易形成損傷，影響飛行安全。解決這一問題通常的方法是，根據飛行包線的情況制定具體的載荷譜，在試驗臺上對其進行加載試驗，驗證壓力疲勞可靠性。

座艙壓力調節系統先后經歷了氣動式、電子氣動式、數字式三個發展階段。在國外，座艙壓力系統供應商以提供數字電動式為主，數字式座艙壓力調節系統以其適應性強、舒適性好的特點，在各類大型飛機中得到了廣泛應用，其核心技術在于系統控制器的研制，但由于技術保密等原因，相關文獻資料較少。國內，韓葉飛等通過建立壓力控制系統模型，研究了模型的線性化處理和擬合降階，并進行了控制仿真驗證；聶進方等建立了高空模擬艙系統，通過虛擬儀器測控平臺，對飛機飛行過程中的各飛行狀態進行模擬試驗，但未對座艙增壓系統進行深入研究及現場試驗。目前，我國各軍用與民用飛機座艙功能試驗基本上是使用充氣試驗臺，試驗臺充氣壓力的控制仍主要采用人工調節方式進行系統試驗，導致壓力控制精度較低并影響了試驗效率，同時也降低了試驗過程中的安全性，不具備通用性。

針對上述問題，本文根據現場試驗臺座艙增壓系統建立系統模型，設計座艙壓力系統的PID控制器，安裝在工控機的模擬量輸入板卡通過壓力傳感器實時采集壓力信號并與電腦端進行通信，采用分段控制方法對座艙壓力系統試驗過程中的各個階段實行閉環控制；對系統進行仿真分析及試驗驗證，以期為座艙壓力調節系統的控制設計提供依據。

1 座艙增壓系統控制策略

1.1 系統工作原理

座艙增壓系統采用座艙正壓加載，即采用使艙內壓力高于艙外壓力的方式進行飛機座艙蓋加載。這是目前飛機座艙蓋加溫加載試驗通用的加載方法。具體就是采用向座艙內充氣的方式，使座艙蓋內外形成壓力差，實現座艙蓋加載。

座艙增壓系統由控制閥和空氣管網等組成。主要包括：低壓氣源(0.8 MPa)、各手動閥、氣動閥、安全閥以及壓力傳感器。系統結構原理圖如圖1所示。

圖1 座艙增壓系統結構原理圖

1.2 控制方案及策略設計

本系統的控制方案是：上位機接收壓力傳感器模擬信號并進行K/B轉換，其結果與給定值做比較，反饋至程序內PID控制器進行計算，將數據輸出至板卡并轉化為4～20 mA模擬量信號以控制閥門開度，對應線性開度為全關至全開，通過控制兩個氣動閥(即進口閥與出口閥)的開度，從而控制內部壓力，滿足加載要求。控制方案如圖2所示。

圖2 控制方案

在加載試驗中，需要不斷提高壓力載荷以確定試驗件的疲勞特性。為了保證試驗的真實性和加載精度、減少傳感器非線性的影響，在進行不同載荷加載前，需要對傳感器進行標定。試驗件及傳感器的重復拆裝所帶來的安裝誤差會持續影響整個試驗過程。為了簡化試驗過程、精確試驗數據，通過LabVIEW子程序對不同的傳感器進行數據標定，并將這些對應關系儲存在ini文件中，供主程序隨時調用。

控制策略主要采用分段控制，將壓力曲線分為上升、平穩、下降三個階段，分別采取不同的PID參數加以控制。升壓階段與穩壓階段，出口閥全關，通過控制進口閥來調節艙內壓力；降壓階段，進口閥全關，賦予出口閥給定初值，通過控制出口閥來調節艙內壓力。本文使用PID控制器對座艙壓力系統進行控制，通過采用分段控制方法，可以盡可能地做到曲線最優化。

2 系統建模

2.1 基本假設

座艙增壓系統進行壓力試驗時，其結構涉及座艙、管道、氣動閥等，氣體流動狀態十分復雜，為便于系統建模，先進行如下必要的假設：

(1) 忽略溫度的影響，假定整個系統的空氣溫度不變，均等于大氣環境溫度；

(2) 作理想氣體處理，氣體在閥口或各個節流口處的流動滿足理想氣體狀態方程；

(3) 等效泄露面積為常數；

(4) 忽略管路的壓力損失；

(5) 艙內容積保持恒定。

則氣體的質量流量公式為

(1)

式中：

C

為流量系數；

A

為節流口流通面積；

P

為上游氣壓；

P

為下游氣壓；

M

為氣體摩爾質量；

k

為比熱容比；

Z

為氣體壓縮系數；

R

為理想氣體常數；

T

為氣體的開氏溫度。

2.2 座艙壓力模型建模

假設艙內壓力分布均勻，座艙壓力模型如圖3所示，

Q

為進氣流量；

Q

為排氣流量；

Q

為艙內泄露流量；

P

為大氣壓力；

P

為氣源壓力；

P

為座艙壓力；

V

為艙內體積；

A

為進氣閥當前流通有效面積；

A

為排氣閥當前流通有效面積；

A

為泄露量等效面積。

圖3 座艙壓力模型

2.3 電氣比例閥建模

電氣比例閥的閥芯位置是由比例電磁鐵的電磁力與閥出口壓力反饋到閥芯上的作用力決定，由牛頓第二定律得到比例壓力閥閥芯的力平衡方程為

(2)

式中：

m

為閥芯構件的總質量；

x

為彈簧位移量；

x

為彈簧的預壓縮量；

k

為比例閥的電流-力系數增益；

I

為控制電流；

b

為閥芯運動阻尼系數；

A

為閥芯端部有效面積；

p

為閥的輸出壓力；

k

為閥的液動力與反饋彈簧等效剛度；

F

為庫倫摩擦力。

2.4 座艙內壓力系統建模

根據理想氣體狀態方程，艙內壓力的微分方程為

(3)

(4)

A

=π

D

·

x

(5)

式中：

C

為進氣閥口流量系數；

D

為閥芯直徑。

(6)

(7)

式中：

C

為排氣閥口流量系數；

C

為泄露流量系數。

2.5 狀態空間方程

對控制過程中的各階段，用系統的物理機理建立狀態空間方程。對增壓與穩壓狀態，

Q

=0，即

(8)

令=[

z

z

z

]，則有：

(9)

可知，傳遞函數：

G

(

s

)=(

s

-)+

(10)

式中：為單位矩陣。對降壓狀態，計算方法同上述方法一致，即

Q

=0，有

(11)

3 PID控制器

3.1 PID控制器的設計方法

PID控制由于其算法簡易、安全性高和魯棒性好等優點而被應用在各個領域。隨著自動控制的發展，PID控制依然在控制領域中占主導地位。其輸入信號與輸出信號的關系為

(12)

式中：

K

為比例系數；

T

為積分時間常數；

T

為微分時間常數。

實際應用中，使用增量式PID控制算法是通過對控制量增量進行控制的方法，該算法計算量小、不容易被影響，其表達式為

Δ

u

(

k

)=

K

[

e

(

k

)-

e

(

k

-1)]+

K

e

(

k

)+

K

[

e

(

k

)-2

e

(

k

-1)+

e

(

k

-2)]

(13)

u

(

k

)=

u

(

k

-1)+Δ

u

(

k

)

(14)

參數整定以Ziegle-Nichols穩定邊界法整定PID參數最為著名，Ziegle-Nichols整定公式如表1所示。

表1 Ziegle-Nichols整定公式

按經典Ziegle-Nichols設計方法，通過適當地選擇控制器中的PID參數，將系統Nyquist曲線上的某一點

A

：

G

(

jω

)=

r

e

(π+)移動到期望點

A

：

G

(

jω

)=

r

e

(π+)，則有公式：

(15)

式中：

ω

為系統Nyquist曲線的剪切頻率。選擇不同的參數

r

和

φ

，可以設計出更加穩定的控制器。

3.2 系統模型降階

座艙增壓控制系統是一個復雜的非線性高階系統，為了便于研究該系統，可將原系統模型線性化并降階擬合為帶延遲環節的一階慣性系統，具體形式為

(16)

式中：

K

為系統增益；

T

為慣性時間常數；

τ

為延遲時間。

而后可解得該系統的慣性時間常數與延遲時間，進而設計出系統PID控制器。

3.3 壓力控制系統仿真

對于如式(16)所示的座艙增壓系統，根據現場測量以及試驗數據倒推的方式計算公式中參數的具體值，故座艙增壓系統增壓與穩壓階段的傳遞函數為

(17)

利用座艙增壓系統的傳遞函數，可以得到PID控制仿真模型，如圖4所示。

圖4 控制系統仿真模型圖

按改進經典Ziegle-Nichols方法進行PID調參控制，可大幅減小該一階慣性系統的震蕩幅度，仿真設計結果如圖5所示。

圖5 仿真設計結果

從圖5可以看出：系統輸出最大超調量為0.3%，輸出量進入2%誤差帶的調整時間為10.8 s，證明了該控制系統的穩定性，能夠滿足座艙增壓系統的試驗要求。

4 測控系統的功能開發

目前最為常用的虛擬軟件是LabVIEW，它是美國國家儀表設計的虛擬儀器開發平臺，是一款功能強大、工具多樣的圖形化編程語言，主要用于設備控制、數據采集、數據處理、工業過程仿真及控制等領域。LabVIEW通過VISA技術、MODBUS通訊技術、自定義硬件設備技術可以支持各類硬件的通訊。

上位機軟件是通過LabVIEW平臺開發的一套壓力系統軟件，滿足座艙增壓系統的試驗要求。該軟件主要功能包括：參數設置、零點采集、數據采集及保存、數據分析回放等功能。

根據上述功能要求，程序結構分為四個模塊：數據采集模塊、參數設置模塊、手動調節模塊、報警及處理模塊。

數據采集模塊主要負責顯示，將采集的參數數據進行處理、顯示及保存，包括的功能有數據采集、數據回放。該模塊主要由NI公司的PXIe輸入模塊將壓力信號傳至上位機，供LabVIEW調用并編寫程序加以完成。參數設置模塊包括的功能有：傳感器參數標定、參數上下限設置、座艙加壓曲線參數設置。手動調節模塊用于各個執行機構功能檢測，即閥門開關。報警及處理模塊用于重要執行機構的急停、故障報警、生成故障報表等。

其中最重要的模塊是手動調節模塊，該模塊需要滿足的要求是：使低壓氣源傳來的氣體受電氣比例閥控制，電氣比例閥能夠接收模塊輸出的4～20 mA信號，對應輸出線性閥門開度從全關到全開。手動調節模塊程序框圖如圖6所示。

圖6 手動調節模塊程序框圖

程序運行后，對壓力曲線及PID參數進行輸入設定，然后進入壓力曲線PID控制階段，在整個程序運行的過程中，需保證試驗設備的安全。操作流程如圖7所示。完成曲線任務后，試驗人員可根據自定的要求做出篩選，重新調整PID參數，如此迭代以完善曲線特性。

圖7 操作流程圖

5 試驗結果與分析

為驗證座艙增壓系統控制方案的可行性，對現場搭建的座艙增壓控制系統試驗臺按操作流程進行試驗，現場試驗壓力曲線如圖8所示。由于現場存在一定的信號干擾，已在程序中做了相應的濾波處理，保證測量精度在±0.5 kPa范圍內。

圖8 現場試驗壓力曲線圖

從圖8可以看出：增壓階段與降壓階段，壓力系統的跟隨性較好，滿足壓力模擬跟隨偏差±5%(FS)的試驗要求；穩壓階段，曲線出現輕微波動是由于現場干擾信號的不穩定性以及存在一定的氣體泄露量等客觀因素造成的。數據表明穩壓階段曲線表現較為穩定，系統穩定性較好。整條曲線的控制精度保持在±1 kPa范圍內，滿足試驗要求。

對于一條完整的試驗曲線來說，軟件從輸入曲線起就可將其分解為各個上升、平穩、下降階段，由此可以設定各個階段的PID參數。而本文試驗曲線的增壓階段較降壓階段更為穩定，說明增壓階段的PID參數整定較降壓階段更優。

6 結 論

(1) 采用分段PID控制器能增強座艙增壓系統的穩定性，有效提高系統的輸出精度。

(2) 本文設計的分段PID控制器提高了飛機座艙蓋試驗臺增壓系統的控制精度與試驗效率，且試驗臺滿足各項技術要求，可為今后飛機座艙蓋試驗臺增壓系統的控制器設計與調試提供參考依據。