推力矢量試驗設備分段精確控制方法研究

杜 寧，涂 清，易 凡，向 兵，唐小力

(中國空氣動力研究與發展中心高速所，四川 綿陽 621000)

0 引言

推力矢量[1-6]是實現戰斗機過失速機動和直接力控制模式超機動能力的一項氣動/動力裝置一體化技術，在現代戰斗機突破失速障、增強機敏性、改善起降性能、巡航性能及隱形特性等方面具有重要作用，是現代高性能戰斗機的必備技術[7--15]，是第四代戰斗機的重要標志之一。其中，推力矢量試驗設備的控制系統研制是該項目建設中極其重要的一個子項。控制系統的作用除了能夠為試驗提供可靠穩定的高壓氣源，更重要的是還可以對多路高壓、大流量氣流進行精確的流量控制、對氣流流量進行實時監測，以滿足試驗的需要。

結合推力矢量試驗設備的特性，將整個控制過程分為啟動充壓、壓力調節和流量調節3個階段，并分階段開展了專家系統、智能PID以及補償解耦等控制策略研究，最終達到了設備的技術指標要求。

1 推力矢量試驗系統結構及原理

推力矢量流量控制系統主要用于氣體流量的實時控制和監測。整個控制系統分為兩個部分，高壓管路供氣系統和流量控制系統。高壓管路供氣系統主要由閘閥、氣動球閥以及多級減壓閥組成，其作用是為推力矢量試驗裝置提供安全穩定可靠的氣源。流量控制系統主要由調壓閥、高精度數字閥以及流量計組成，其作用是對高壓氣流進行精確控制和實時監測，以滿足試驗的需求。

為保證系統運行的可靠性與穩定性，控制系統采用上、下位機結構形式。上位機選用工控機作為流量控制系統的操作員站和工程師站，實現流量控制系統的參數設定和系統操作/維護功能。下位機選用GE PACSystems RX3i PLC控制器為主站，VersaMax系列的遠程I/O為從站。下位機主要實現流量的調節和測量以及對高壓管路設備的安全監控。下位機從上位機接收試驗參數，由PLC系統獨立運行相應的控制算法，實現對流量的精確控制，同時承擔驅動氣體流量控制系統的安全聯鎖工作，當試驗系統出現異常時，控制系統會自動采取有效措施，保證人員和設備安全。上位機軟件選用Labview軟件平臺，下位機選用Cimplicity Machine Edition軟件平臺，上下位機通過以太網進行數據交互。推力矢量控制系如圖1所示。

圖1 推力矢量試驗裝置原理圖

推力矢量控制系統研制的技術指標主要包括：

1)工作壓力范圍：9～15 Pa；

2)流量范圍：0～3 g/s；

3)流量調節控制精度：3‰～5‰。

2 多模型控制策略

2.1 控制難點分析

推力矢量試驗裝置對流量控制精度要求高、調節時間要求短，而推力矢量流量系統本身具有的調整范圍大、滯后、非線性、耦合強等特性，給流量的精確控制帶來很大的難度，具體表現在：

1)系統調整范圍大。每次試驗，流量的變化均需要經歷0至設定值的變化過程，流量在經歷如此大的變化過程中，系統的非線性、不確定性等因素極大地增加了控制難度；

2)系統存在大滯后和強耦合。受系統結構限制，壓力調節系統本身存在大滯后；且多路供氣管路之間存在相互干擾，導致系統中各個主要變量間存在相互耦合。

3)流量調節精度要求高。試驗對流量調節精度提出了很高的要求，其控制系統流量控制精度要求達到3‰～5‰，這一要求遠遠高于工業控制的精度要求。

4)流量調節速度要求快。為了節省氣源，降低試驗成本，要求流量盡可能快的調整至設定值，并保持到試驗結束。

2.2 多模型控制策略設計

針對推力矢量試驗中對控制系統的流量精度要求以及推力矢量系統的特點，對控制器提出如下要求：

1)在試驗初期，需要快速的將流量調整至設定值附近，以節省氣源，降低試驗成本。

2)在試驗進行過程中，采用高精度控制器，以保證流量控制精度達到3‰～5‰。

由此可見，對于試驗的不同階段，對控制器、控制性能的要求不同，采用單一的控制方法無法同時滿足試驗各個階段的控制需求。因此必須針對不同試驗階段的要求，設計相應的控制算法。為此，多模型控制策略可以滿足這一要求。

多模型控制采用多種控制方法，并引入一個監控機制。當被控對象的控制域發生較大的變化時，監督機構能夠快速識別此變化并做出決策以選擇適用于當前系統工作條件的控制方法。基于此，將整個試驗過程分為啟動充壓、壓力調節和流量調節3個階段，并提出如下的多模型控制策略：

啟動充壓階段主要是為實現快速建立流場、降低能耗的目的。由此該階段采用基于專家知識的開環控制策略，調整調壓閥后壓力，待壓力達到設定壓力的0.9倍后轉入閉環控制。

壓力調節階段主要是實現對調壓閥后壓力的精確調節。考慮到氣源壓力的下降、波動及管路之間的相互耦合等因素對壓力閉環調節的擾動及影響，根據調壓閥后壓力偏差及其變化特點，將變積分系數和增量式控制算法相結合，設計自適應PID控制器，以滿足對工作點壓力的精確控制。當調壓閥后壓力控制精度達到1%時，轉換至流量調節階段。

流量調節階段主要是實現流量的精確調節。由于調壓閥對閥后壓力調節與數字閥對流量調節之間存在一定的耦合關系，在流量精確調節過程中，采用補償解耦控制策略，最終實現流量的精確控制。當流量控制精度達到3‰～5‰的指標要求后，記錄試驗數據。

為保證控制策略的實現，我們對試驗流程也進行了設計，如圖2所示。

圖2 推力矢量試驗流程

3 基于專家系統的啟動充壓階段控制

專家系統是一個智能計算機程序系統，其內部含有大量某個領域專家水平的知識與經驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理該領域的問題[16-17]。

在試驗現場，經過多年的現場試驗，相關操作人員采集了大量試驗數據，可以充分的顯示出設備的特性信息；此外氣動專家結合專業理論知識和長時間的實踐探索，獲得了豐富的理論與實踐經驗。這些專家知識對啟動沖壓階段流場快速建立的過程具有十分重要的指導意義。因此，根據專家知識創建出對應的啟動充壓階段控制知識庫，并結合知識庫中的相關知識設計出相應的控制規則庫，以實現流場的快速建立。

3.1 定義特征參數表

以兩路流量調節為例，依據控制流程，結合氣動專業人員提供的參數，定義出啟動充壓階段控制系統的特征參數，以及典型取值，如表1、表2所示。

表1 控制系統特征參數

表2 充壓過程典型取值

3.2 創建知識庫與規則庫

結合地面調試時采集的試驗數據所反映出的現象信息和“氣動專家知識及經驗”，創建出知識庫，并根據知識庫設計出了如下的流量控制專家規則：

Rule1:ifTS1thenu1=0,u2=0,u3=S10,u4=S20；

Rule3:ifTS2∩[(P01≥P1)∪(P02≥P2)] thenu1=l10,u2=l20,u3=S10,u4=S20；

Rule4:ifTS2∩[(P01≥P1)∪(P02≥P2)]∩TS5thenTS3,TS4。

其中：P01、P02為1#、2#調壓閥后壓力；S10、S20為1#、2#數字閥開度設定。該規則的優點是使調壓閥后壓力快速到達設定的切換點，進入壓力閉環控制，避免壓力出現震蕩。

4 壓力調節階段的智能PID控制

在壓力調節階段，考慮到氣源壓力的下降、波動及管路之間的相互耦合等因素對壓力閉環調節的擾動及影響，根據調壓閥后壓力偏差的變化特點，結合現場測量數據和操作人員的控制經驗，設計出將變積分系數和增量式控制算法相結合的智能PID控制器[18]，以克服常規PID控制器受被控對象非線性特性影響大、對擾動適應能力弱的缺點，實現調壓閥后工作點壓力的精確控制。

變積分控制器的輸出為：

u(k)=u(k-1)+K1{kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+

kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}

(1)

其中:u為控制器輸出；kp為比例系數；ki為積分系數；kd為微分系數；K為控制器參數。

當|e(k)|≤1 kPa、調壓閥進入閉環控制壓力階段時，智能PID控制器分以下4種情況設計。

1)當e(k)Δe(k)>0且e(k)Δe(k-1)<0時，誤差向誤差絕對值增大方向變化，此時控制器輸出為：

u(k)=u(k-1)+kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+

kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}

(2)

2)當e(k)Δe(k)<0且e(k)Δe(k-1)>0或e(k)=0時，誤差的絕對值向減小的方向變化或者已經達到平衡狀態。此時，保持控制器輸出不變。

3)當e(k)Δe(k)>0且e(k)Δe(k-1)<0時，誤差處于極值狀態。如果此時誤差絕對值較大，即|e(k)|≥1 kPa，則實施如下較強的控制量：

u(k)=u(k-1)+k1kpe(k)

(3)

如果此時誤差絕對值較小，即|e(k)|<1 kPa，則可以考慮實施較弱的控制量：

u(k)=u(k-1)+K2kpe(k)

(4)

以上式中K1>K2。

4)當|e(k)|<0.05 kPa時，說明誤差絕對值很小，此時加入積分環節，減小穩態誤差，直到調壓閥后壓力達到精度要求。

5 流量調節階段的精確控制

流量調節階段是整個流量控制的關鍵階段，調壓閥對閥后壓力調節與數字閥對流量調節之間存在一定耦合關系。同時，為快速、高精度控制流量，設計了兩個并聯的控制器，分別為暫態控制器和穩態控制器。暫態控制器適用于流量變化的過程，采用改變調壓閥開度開環補償調壓閥后壓力，同時調整數字閥的開度。當觸及到危險流量范圍時，快速改變流量以通過危險流量區域，確保設備安全。待流量達到設定值附近時，轉入穩態控制器。穩態控制器具有極好的設定值跟蹤能力，適用于流量小階差調節和穩態過程，既保證了在設定值附近具有良好的調節效果，又具有很好的抑制干擾能力。

為有效消除調壓閥后工作點壓力與流量之間的耦合關系，采用補償解耦控制策略[19-20]來實現流量的精確控制。控制器結構如圖3所示。

圖3 補償解耦控制策略框圖

定義emi=Flowi-Flowoi(i=1,2)，其中emi表示流量偏差；Flowoi為設定流量；Flowi為輸出流量。

控制器的特征模型為：

Φ=P?Q

(5)

控制模態集：

u=C·M

(6)

M=[m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10]T。

式中,m1→Kp·emi；m2→Si0；m3→K1KP·emi；m4→K2KP·emi；m5→K3Kp·emi；m6→K4Kp·emi；m7→K5KI·∑emi；m8→K1·f(emi)；m9→Δmi·K；m10→βmi。其中，Δmi為流量的變化量，f(emi)為積分項變速因子，其表達式為：

(7)

M1～M4為設定的誤差帶；K1～K5為增益系數；Kp、KI為比例、積分系數；K為解耦系數；βml為解耦修正值。

6 實驗結果與分析

系統設計完成后，依次對硬件、軟件等功能進行了測試，然后進行了系統聯合調試。聯合調試主要分為模擬調試和帶動力調試。模擬調試是通過模擬壓力、流量反饋對控制系統的功能進行驗證和測試。帶動力調試是連通高壓氣源，通過安裝在管路上的傳感器和流量計作為信號源，采用多模型控制策略對管路閥門進行精確調節，以驗證實際效果。

經過前期周密的準備，項目組順利完成了推力矢量控制系統的調試工作。圖4分別給出了1#和2#管路在不同流量給定條件下的控制曲線圖。

圖4 流量控制曲線

從圖4(a)中可以看出，在小流量試驗時，通過基于專家經驗的智能控制，保證了系統快速沖壓；在壓力、流量調節階段，通過補償解耦控制策略，流量能快速接近設定值并迅速收斂達到穩定狀態。從圖4(b)中可以看出，在大流量時，系統同樣具有較強的控制、調整能力，表明控制器設計具有較強的適應性。

為進一步說明本文所提方法的有效性，對各個不同目標流量的工況進行試驗，統計各個實驗的控制精度，并與之前采用傳統PID控制算法得到的結果進行對比。該精度由如下公式計算得到：

(8)

圖5為采用本文所提算法在不同試驗工況下得到的流量控制精度，圖6為采用傳統PID控制算法在不同試驗工況下得到的流量控制精度。從圖6中可以看出，采用傳統PID控制算法得到的控制精度不能滿足試驗要求，最小值僅為5‰，并隨著流量設定值的增大而逐漸增大；而從圖5中可以看出，系統流量控制精度最大值為3.5‰(2#管路350g/s時)，最小值小于1‰，控制精度大幅度優于采用傳統PID控制算法的到的結果，完全滿足進行推力矢量試驗所設計的3‰～5‰的指標要求。這是由于采用分段控制的方法，針對不同階段的特性，有針對性的設計出相應的控制器，能夠很好的實現流量的精確控制。

圖5 基于本文算法的流量控制精度

圖6 基于PID控制算法的流量控制精度

7 結束語

通過本研究，可以得到以下結論：

1)研制的流量控制系統，流量控制精度達到3‰～5‰，完全滿足推力矢量試驗的對流量精準度的需求。

2)設計的多模型精確控制策略，能很好地克服了系統本身的特性，實現氣流在高壓、大流量條件下的高精度控制。

3)基于補償解耦控制策略，系統具有較強的控制、調整能力，流量能快速接近設定值并迅速收斂達到穩定狀態。