鄭 瑤

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 溫度控制系統(tǒng)組成

發(fā)動(dòng)機(jī)外涵機(jī)匣試驗(yàn)溫度控制系統(tǒng)由外涵機(jī)匣、電加熱管加熱器、溫度傳感器、控制器、調(diào)功設(shè)備等組成，如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)組成示意圖

電加熱管加熱器結(jié)構(gòu)如圖2所示，由電阻發(fā)熱絲、耐高溫合金、絕緣粉末、導(dǎo)線電極、絕緣端子等組成。由于作為加熱器主要元件的電阻絲的熱慣性較大，加熱管加熱器的控制響應(yīng)速度較慢。

圖2 電加熱管結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)加熱器通電時(shí)，電阻發(fā)熱絲發(fā)熱，熱量經(jīng)過(guò)絕緣粉末和耐高溫合金向外傳導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)件的加熱。外涵機(jī)匣熱強(qiáng)度試驗(yàn)的傳熱方式如圖3所示，加熱器處于機(jī)匣的內(nèi)部空間內(nèi)，通過(guò)對(duì)流和輻射對(duì)機(jī)匣內(nèi)壁進(jìn)行加熱，機(jī)匣內(nèi)外表面的熱量交換則是通過(guò)傳導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 機(jī)匣傳熱過(guò)程示意圖

由電加熱管加熱器的組成結(jié)構(gòu)和加熱原理可知，其整個(gè)溫度控制過(guò)程響應(yīng)較慢，滯后嚴(yán)重，采用傳統(tǒng)的PID控制方式容易導(dǎo)致超溫，從而對(duì)試驗(yàn)件造成損傷。因此，需要研究一種能夠有效解決加熱器響應(yīng)滯后帶來(lái)的溫度超調(diào)問(wèn)題的控制方法。

2 溫度控制方法

作為外涵機(jī)匣溫度控制系統(tǒng)的主要組成部分，加熱管加熱器具有響應(yīng)速度慢的特點(diǎn)。根據(jù)自動(dòng)控制理論可知，整個(gè)溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)大滯后系統(tǒng)，在進(jìn)行溫度控制時(shí)，很容易發(fā)生溫度超調(diào)現(xiàn)象。為了解決溫度控制中存在的超調(diào)問(wèn)題，針對(duì)該滯后控制系統(tǒng)引入了模糊控制的概念。

2.1 控制原理

為了解決該滯后系統(tǒng)的控制問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于傳統(tǒng)PID控制同時(shí)結(jié)合模糊控制思想的溫度控制方法，有效地解決了加熱控制中的溫度超調(diào)問(wèn)題，其控制方法流程如圖4所示。

圖4 控制方法流程示意圖

本文設(shè)計(jì)的控制方法以PID控制為基礎(chǔ)，即針對(duì)控制系統(tǒng)的誤差，通過(guò)比例、積分、微分運(yùn)算，得到控制輸出值，并利用該值對(duì)功率調(diào)節(jié)設(shè)備進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)試件加熱的目的。常規(guī)PID控制的控制規(guī)律為：

(1)

式(1)中，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。在工業(yè)控制中，一般需要對(duì)PID控制規(guī)律進(jìn)行離散化處理，得到：

(2)

為了解決溫度超調(diào)問(wèn)題，可以在溫度控制的不同階段使用不同的PID參數(shù)，即在PID賦值時(shí)采用遞增或遞減的多組參數(shù)來(lái)替換一組參數(shù)，將一次變化分解為多步變化，從而減輕超調(diào)對(duì)系統(tǒng)的影響。

在PID控制的基礎(chǔ)上增加模糊限伏控制環(huán)節(jié)可以有效對(duì)系統(tǒng)的最大輸出值進(jìn)行限制，從而避免過(guò)沖現(xiàn)象。所謂模糊控制，是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制，根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際被控對(duì)象的特點(diǎn)，建立合理的模糊控制邏輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。在該控制系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)特征和控制特點(diǎn)建立模糊邏輯規(guī)則，對(duì)控制輸出值進(jìn)行一定的限制，從而間接降低PID控制的響應(yīng)速度，達(dá)到與滯后控制系統(tǒng)的同步，實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制。利用模糊控制對(duì)輸出值進(jìn)行限伏，能夠有效避免在試驗(yàn)初始階段控制誤差較大時(shí)，滯后系統(tǒng)的溫度響應(yīng)過(guò)慢導(dǎo)致控制輸出過(guò)大造成的超調(diào)現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 控制方法實(shí)現(xiàn)

分段PID參數(shù)可以通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，即根據(jù)當(dāng)前的誤差判斷應(yīng)該使用哪一組控制參數(shù)，其流程如圖5所示。

圖5 分段PID參數(shù)選擇流程示意圖

多組PID參數(shù)可通過(guò)前期調(diào)試獲得，也可用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)代替，根據(jù)不同的控制溫升要求選擇不同的控制參數(shù)。

模糊限伏控制即在不同的階段使用不同的控制輸出限伏，防止輸出滿度造成超調(diào)量過(guò)大。其限伏值可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或調(diào)試獲得，并由該系列值組成專家?guī)?，模糊限伏值如圖6中標(biāo)注的部分所示。本文將整個(gè)溫升過(guò)程分成8個(gè)部分，在每個(gè)階段使用不同的限伏值來(lái)限制調(diào)功裝置的輸出，防止輸出值過(guò)大帶來(lái)的超調(diào)現(xiàn)象發(fā)生。

圖6 控制程序中的模糊限伏值

2.3 控制效果

在某型外涵機(jī)匣熱強(qiáng)度試驗(yàn)中，要求整個(gè)機(jī)匣的溫度達(dá)到285℃。使用常規(guī)PID控制方式對(duì)機(jī)匣進(jìn)行溫度控制，其控制效果如圖7中的虛線所示，雖然溫度響應(yīng)較快，但是無(wú)論在升溫階段還是在保溫階段，溫度超調(diào)都比較明顯。使用優(yōu)化PID控制方法后，雖然響應(yīng)速度較慢，但整個(gè)升溫過(guò)程相對(duì)平穩(wěn)，保溫過(guò)程也沒有發(fā)生超調(diào)，控制精度較常規(guī)PID有較大提升。

圖7 優(yōu)化PID控制效果

3 結(jié) 論

發(fā)動(dòng)機(jī)外涵機(jī)匣熱強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)具有滯后系統(tǒng)的典型特征，本文針對(duì)控制系統(tǒng)的特性設(shè)計(jì)了經(jīng)過(guò)優(yōu)化的PID控制方法，該方法在原有PID控制的基礎(chǔ)上增加了分段PID參數(shù)賦值、模糊限伏控制等環(huán)節(jié)，將調(diào)節(jié)量分解為若干步驟完成。將該方法應(yīng)用在某試驗(yàn)中，有效地解決了溫度超調(diào)問(wèn)題，提高了試驗(yàn)的安全系數(shù)和控制精度，得到了很好的控制效果。該控制方法的提出，為今后滯后系統(tǒng)的控制提供了一種解決思路，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。