一種基于專家PID控制的冰風(fēng)洞穩(wěn)風(fēng)速控制方法

單永正，張旭超，姚惠元

中國航空工業(yè)空氣動力研究院，黑龍江 哈爾濱 150001

在風(fēng)洞試驗(yàn)過程中，洞內(nèi)風(fēng)速是否穩(wěn)定將直接影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，尤其對于冰風(fēng)洞，在試驗(yàn)過程中不可避免地會在拐角導(dǎo)流片、阻尼網(wǎng)等處結(jié)冰導(dǎo)致風(fēng)洞內(nèi)阻塞度顯著增加，引起風(fēng)速明顯下降，因此穩(wěn)風(fēng)速控制系統(tǒng)是冰風(fēng)洞測控系統(tǒng)中的重要組成部分。由于冰風(fēng)洞穩(wěn)風(fēng)速控制系統(tǒng)本身缺乏精確的數(shù)學(xué)模型，模型參數(shù)隨工況變化而改變，雖然傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便，但當(dāng)控制對象不同時，控制器的參數(shù)難以自適應(yīng)調(diào)整，且難以對一些復(fù)雜的過程和參數(shù)慢時變系統(tǒng)進(jìn)行有效控制[1]。為了保證流場品質(zhì)，高效完成試驗(yàn)，需要提出一種計(jì)算機(jī)控制的智能閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因此，文章提出一種基于專家PID控制的穩(wěn)風(fēng)速控制策略，該策略針對冰風(fēng)洞穩(wěn)風(fēng)速控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，對專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)化，不依賴數(shù)學(xué)模型來整定控制參數(shù)，將專家系統(tǒng)決策與PID算法結(jié)合在一起，能針對不同情況選擇不同的策略。

1 穩(wěn)風(fēng)速系統(tǒng)測控原理

1.1 風(fēng)速的計(jì)算

風(fēng)洞運(yùn)行時的馬赫數(shù)由公式（1）決定：

式中：p0為穩(wěn)定段總壓；ps為試驗(yàn)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(fēng)速。

由此可見，風(fēng)速是穩(wěn)定段總壓、試驗(yàn)段靜壓和溫度的函數(shù)，即V=f(p0,ps,T)。

1.2 控制原理

常規(guī)PID控制原理簡單，使用方便，魯棒性較強(qiáng)，在理論上有成熟的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和參數(shù)整定方法，不過常規(guī)調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)具有固定形式，不易在線調(diào)整，且參數(shù)整定過程長，參數(shù)間相互影響，折中后難以收到最優(yōu)效果。專家系統(tǒng)則是一個智能計(jì)算機(jī)程序，含有大量專家水平的知識和經(jīng)驗(yàn)，能模擬人類專家的思維過程進(jìn)行推理從而自主地選擇控制算法，配置相關(guān)參數(shù)。與專家系統(tǒng)不同，專家控制更多的是做獨(dú)立的、實(shí)時的、在線的控制，而不僅是一種離線的、輔助性質(zhì)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(fēng)洞穩(wěn)風(fēng)速控制原理如圖1所示。通過風(fēng)洞中的壓力和溫度傳感器反饋穩(wěn)定段總壓、試驗(yàn)段靜壓和溫度，經(jīng)過公式（1）計(jì)算得到實(shí)際風(fēng)速，再與目標(biāo)風(fēng)速相減得到偏差量，通過專家PID控制器給出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入（電機(jī)轉(zhuǎn)速）。

圖1 冰風(fēng)洞穩(wěn)風(fēng)速控制原理圖

控制器由兩部分組成。（1）經(jīng)典PID控制器：直接對被控對象進(jìn)行閉環(huán)控制，并且Kp，KI，KD三個參數(shù)為在線整定。（2）專家決策：根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)[4]。

專家PID控制就是基于被控對象和控制規(guī)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(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)PID參數(shù)[5]。假設(shè)當(dāng)前為第k采樣，當(dāng)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(shè)定偏差的一個極大值，記為Mmax；設(shè)定一個偏差較大的中間值，記為Mmid；設(shè)定一個偏差的極小值，記為Mmin。根據(jù)以上偏差、偏差增量以及偏差極值的設(shè)定，分析如下。

② 當(dāng)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(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，此時保持控制器輸出不變即可。即

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

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

2 算法設(shè)計(jì)

根據(jù)前文的分析已經(jīng)得到了基本的規(guī)則庫同時也有相應(yīng)的推理機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了一個專家PID控制器，這是一種專家規(guī)則直接與PID算法相結(jié)合的直接型專家控制器。針對冰風(fēng)洞試驗(yàn)要求，再根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)選取各參數(shù)，得到最終算法。

3 實(shí)例與結(jié)果分析

針對某冰風(fēng)洞的一次吹風(fēng)調(diào)試，在試驗(yàn)段靜溫為-33℃，目標(biāo)風(fēng)速為80m/s的條件下，開啟噴霧結(jié)冰系統(tǒng)，運(yùn)用文章設(shè)計(jì)的專家PID控制器來控制冰風(fēng)洞的風(fēng)速。相同時段內(nèi)風(fēng)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速的曲線如圖2、圖3所示。

圖2 風(fēng)速在專家PID控制下的效果

圖3 專家PID控制下的電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

由圖3可以看出，由于在低溫環(huán)境中開啟噴霧，在試驗(yàn)中結(jié)冰造成阻塞度增加，為了保證風(fēng)速穩(wěn)定，必然要不斷提高電機(jī)轉(zhuǎn)速；圖2則表明在文章設(shè)計(jì)的專家PID控制算法下，穩(wěn)風(fēng)速控制效果良好，在風(fēng)洞內(nèi)堵塞度不斷增大的情況下，風(fēng)速波動很小，完全滿足試驗(yàn)需求。

4 結(jié)束語

從試驗(yàn)曲線來看，將文章設(shè)計(jì)的方法應(yīng)用在某冰風(fēng)洞穩(wěn)風(fēng)速控制系統(tǒng)中能夠滿足型號試驗(yàn)對穩(wěn)風(fēng)速的高品質(zhì)要求，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。改進(jìn)專家PID控制器，進(jìn)一步提高其計(jì)算速度，優(yōu)化控制參數(shù)，將是下一步工作的發(fā)展方向。同時，文章方法還可以類比地應(yīng)用于其他回流式低速風(fēng)洞的穩(wěn)風(fēng)速控制系統(tǒng)。