焦崗 韓陽 侯海軍 薛卓

摘 要：本文通過Simulink建模仿真，分析在不同控制器模式下系統(tǒng)對階躍信號的響應(yīng)，為系統(tǒng)選擇最合適的控制器。以此為依據(jù)完成了測控系統(tǒng)的電路設(shè)計、軟件設(shè)計及實現(xiàn)。在后續(xù)的試驗過程中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在控制流量的過程中出現(xiàn)振蕩收斂以及流量信號大擾動的現(xiàn)象。分析后得出，由于供水系統(tǒng)設(shè)計的缺陷，導(dǎo)致經(jīng)典PID控制效果不理想，采用基于LabVIEW的積分分離PID算法對系統(tǒng)控制軟件進行改進，解決了控制過程振蕩收斂的問題，并取得了較好的控制效果。此外，通過信號隔離鏡像的方法解決了流量傳感器同時傳輸瞬時流量和累積流量時，瞬時流量信號出現(xiàn)大擾動信號的問題。

關(guān)鍵詞：控制 Simulink 積分分離PID LabVIEW

Abstract： Through Simulink modeling and simulation， this paper analyzes the response of the system to the step signal under different controller modes， and selects the most appropriate controller for the system. Based on this， the circuit design， software design and implementation of the measurement and control system are completed. In the course of subsequent tests， oscillation convergence and large disturbance of flow signal appear in the process of flow control. After analysis， it is concluded that the classical PID control effect is not ideal due to the defects of water supply system design. The integral separation PID algorithm based on LabVIEW is used to improve the system control software， solve the problem of oscillation convergence in the control process， and achieve good control effect. At the same time， the problem that the instantaneous flow signal appears big disturbance when the flow sensor transmits instantaneous flow and cumulative flow simultaneously is solved by signal isolation mirror method.

Key Words： Control; Simulink; Integral separation PID; LabVIEW

飛機在飛行中由于氣象條件的變化，導(dǎo)致發(fā)動機進口可能吸入大量的雨水，這將會改變發(fā)動機的工作狀態(tài)，可能造成發(fā)動機熄火、喘振、機械損壞，甚至嚴(yán)重的推力損失。為了模擬吞水對發(fā)動機性能和穩(wěn)定性的影響，開展航空發(fā)動機吞水試驗技術(shù)研究， 國軍標(biāo)明確了各型發(fā)動機吞水試驗的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和方法。

發(fā)動機裝機吞水試驗是驗證飛機平臺復(fù)雜氣象環(huán)境下使用性能的重要前置試驗科目，對明確飛機雨天使用限制以及化解后續(xù)試飛風(fēng)險具有重大意義，是國軍標(biāo)明確的試驗科目，更是發(fā)動機試飛的關(guān)鍵技術(shù)。此前，我國在20世紀(jì)80年代就曾開展過航空發(fā)動機吞水試驗，但此次準(zhǔn)備開展的工作是發(fā)動機裝機狀態(tài)下的試驗，發(fā)動機裝機狀態(tài)下具有技術(shù)難度大、配套設(shè)備復(fù)雜、試驗風(fēng)險高等特點，于國內(nèi)尚屬首次。而發(fā)動機雨滴模擬裝置即發(fā)動機吸雨裝置，無疑是這一試驗中不可或缺的重要組成部分。

為研制某型發(fā)動機吞雨裝置，為解決流量控制、壓力控制問題，需要研制吞雨測控系統(tǒng)，本文就該系統(tǒng)的控制問題進行探討。

1 系統(tǒng)分析與建模

1.1簡化框圖模型

系統(tǒng)的簡化框圖模型如圖1所示（以流量閉環(huán)控制為例，壓力閉環(huán)控制同理）。

1.2比例閥模型

比例閥模型[1]：

現(xiàn)取轉(zhuǎn)速5r/min，阻尼比=0.6，固有頻率=0.524rad/s，流量增益，計算后比例閥模型：

1.3電機模型

電機模型[2]：

Km：電機增益系數(shù)Km=1。

Tm：電機機械時間常數(shù)Tm=0.0152。

Te：電機電氣時間常數(shù)Te=0.0035。

電機模型：

1.4泵模型及放大器增益

泵模型：

Q：流量0.6 （m3/min） 。

n：轉(zhuǎn)速2000 （r/min）? 。

K：常數(shù)。

KB：放大器增益。

簡化模型令KB×K=1。

1.5系統(tǒng)時域模型

系統(tǒng)模型如圖2所示。

2 系統(tǒng)的動態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能

當(dāng)系統(tǒng)模型建立完成后，選擇其最合適的控制器，對后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計、軟件編寫、系統(tǒng)調(diào)試都具有十分重要的指導(dǎo)意義。

一般而言，階躍輸入對系統(tǒng)來說是最嚴(yán)峻的工作狀態(tài)。如果系統(tǒng)在階躍函數(shù)作用下的動態(tài)性能[3]滿足要求，那么系統(tǒng)在其他形式的函數(shù)作用下，其動態(tài)性能也是令人滿意的。

穩(wěn)態(tài)誤差[4]是描述系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的一種指標(biāo)，通常在階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)或加速度函數(shù)作用下進行測定或計算。本文中的穩(wěn)態(tài)誤差只是近似計算。

該模型在不同控制器下（P、PI、PD、PID），采用階躍輸入下，系統(tǒng)的響應(yīng)如圖3所示。

具體指標(biāo)如表1所示。

由于微分控制[4]反映誤差信號的變化趨勢，因此它能在誤差信號出現(xiàn)變化之前給出校正信號，防止系統(tǒng)出現(xiàn)過大的偏離和振蕩。積分控制，使系統(tǒng)的型別增加一級，因而可以有效地改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。

通過參數(shù)比較理論上，顯然在該系統(tǒng)中使用PID控制器較為合適，雖然相較其余3種經(jīng)典控制器，損失了一些系統(tǒng)性能，如到達峰值時間即系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，超調(diào)比PD控制器大等，但是經(jīng)典PID控制器消除了靜態(tài)誤差，提高了穩(wěn)態(tài)精度，表明其是最適合本文系統(tǒng)的，故在后續(xù)設(shè)計時，控制優(yōu)先采用經(jīng)典PID控制器進行控制。

3 測控系統(tǒng)搭建及實現(xiàn)

要驗證經(jīng)典PID控制器在實際系統(tǒng)中能否發(fā)揮出應(yīng)有的作用，首先需要設(shè)計并完成供水管路及測控系統(tǒng)的搭建，本文的測控系統(tǒng)是在供水系統(tǒng)搭建完成后進行設(shè)計的。在設(shè)計測控系統(tǒng)時，優(yōu)先考慮所選元器件的可靠性及經(jīng)濟性[5]。

測控系統(tǒng)原理圖框圖如圖4所示，由工控機加采集控制模塊組成。采用研華的4路模擬量輸出模塊ADAM4024，進行模擬量的輸出控制，對比例閥開度進行控制，從而控制供水量及供水壓力。采用研華的繼電器模塊ADAM4068，進行繼電器的輸出控制，其中一路經(jīng)繼電器后控制電磁開關(guān)閥動作以及指示燈顯示，另一路經(jīng)接觸器回路（星三角啟動器）后控制水泵的運行狀態(tài)。采用NI的16通道差分的PCI6259模擬量采集卡進行模擬量的采集，主要采集系統(tǒng)的壓力、流量、溫度等 信號。采用研華的16通道ADAM4053數(shù)字量采集模塊進行數(shù)字量的采集[6]，主要采集閥門到位反饋信號、泵啟停反饋信號、控制按鈕指令信號、液位計等開關(guān)量信號。動力電380VAC，50Hz經(jīng)空氣開關(guān)、斷路器后給水泵、接觸器主回路供電。市電220VAC＼50Hz（從動力電抽引）經(jīng)隔離變壓器后分成三路：其中一路給顯示器及工控機供電;第二路進入線性電源轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換后的電源作為測試電源，給傳感器及控制模塊供電;第三路進入開關(guān)電源轉(zhuǎn)化模塊，轉(zhuǎn)換后的電源作為控制電源，給繼電器線圈、接觸器線圈及閥門供電。工控機上帶LAN口與遠程計算機進行TCP/IP通訊，同時帶有鼠標(biāo)鍵盤及顯示器接口。

測控系統(tǒng)軟件采用LabVIEW進行編寫，運行主界面如圖5所示。界面?zhèn)壬喜繛楣r顯示，根據(jù)整個吞雨系統(tǒng)設(shè)備及管路安裝布局進行畫面繪制，軟件運行時，實時顯示設(shè)備運行狀態(tài)及水路循環(huán)狀態(tài);界面左側(cè)下部為參數(shù)曲線顯示，實時顯示系統(tǒng)采集到的傳感器參數(shù)[7]、反饋信息、設(shè)定參數(shù)等信息，并可以根據(jù)需要，挑選需要顯示的參數(shù)曲線;界面中間上方為參數(shù)字符串顯示，以字符加單位的形式，實時顯示系統(tǒng)的主要參數(shù)，方便操作及試驗人員觀察;假面右上側(cè)為上位機下發(fā)參數(shù)表，即實時顯示上位機發(fā)送參數(shù)及狀態(tài)。界面中間下側(cè)為按鈕控制區(qū)域，包含手動模式、自動模式及狀態(tài)控制等控制按鈕，可以設(shè)定系統(tǒng)運行模式以及運行方式。界面右側(cè)下部為軟件運行控制及模式選擇按鈕，可以進行模式選擇及程序啟?？刂啤⑶宄龍D標(biāo)等功能。

4 實際控制時的問題及解決

4.1系統(tǒng)控制的問題

前述論證后，自動模式下該系統(tǒng)采用PID經(jīng)典控制器進行控制，軟件編寫完成后，反復(fù)的調(diào)整PID參數(shù)，其實際的流量控制曲線如圖6所示。

出現(xiàn)上述振蕩收斂的原因，主要是該系統(tǒng)在供水系統(tǒng)設(shè)計時，發(fā)動機裝機臺比較高，為了避免供水系統(tǒng)處于發(fā)動機進氣迎風(fēng)面的考慮，供水系統(tǒng)整體下沉安裝在地面附近。這樣導(dǎo)致供水系統(tǒng)需要連接一根長管子，從噴水環(huán)下垂連接至地面附近。而由于系統(tǒng)供水量比較大，該管子的口徑相對較大，這樣一來，系統(tǒng)運行過程開始，需要先填充這一管路，后續(xù)流量調(diào)節(jié)也必然受這一管路影響。

由于管路較長等因素，在整個系統(tǒng)進行啟動、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定等操作時，即系統(tǒng)在短時間內(nèi)輸出很大的偏差時，系統(tǒng)整體呈現(xiàn)振蕩收斂的控制效果。

4.2系統(tǒng)控制問題分析

出現(xiàn)這一問題后，由于受試驗條件、試驗影響等現(xiàn)有因素影響，無法實現(xiàn)供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更改，故只能從控制角度進行解決。為了解決這一問題，查閱資料后，認為在該系統(tǒng)中引入積分分離控制的方式較為合適[8]。

積分分離控制其基本原理為：被控量與設(shè)定值偏差較大時，取消積分作用，以避免由于積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大，從而產(chǎn)生較大的振蕩;當(dāng)被控量接近給定值時，引入積分作用，以消除靜態(tài)誤差，提高控制精度。

積分分離PID[9]控制算法可表示為：

式中，T為采樣時間，β為積分項的開方關(guān)系數(shù)。

其中，ε為設(shè)定的閾值。

4.3系統(tǒng)控制問題解決

將積分分離控制器應(yīng)用到本文的測控系統(tǒng)中，本文采用LabVIEW進行程序的編寫，編寫后的核心控制程序模塊[10]如圖7所示。即在傳統(tǒng)的PID控制器前加入一個條件選擇結(jié)構(gòu)。將采集到的系統(tǒng)流量與設(shè)定流量進行比較，當(dāng)差值大于閾值時，判定為假，此時引入PD參數(shù)給PID控制器，從而增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小超調(diào)量;當(dāng)差值小于閾值時，此時引入PID參數(shù)給PID控制器，以達到消除靜態(tài)誤差，提高控制精度的目的。

經(jīng)過大量的調(diào)試試驗，本文設(shè)計的測控系統(tǒng)在試驗要求流量范圍內(nèi)，系統(tǒng)控制時，閾值ε設(shè)定為10時，控制效果最佳。故以10為判定值自動在PID及PD控制器之間切換。

調(diào)試后，在前述震蕩收斂的狀態(tài)中，采用引入積分分離PID后的軟件，進行控制，控制效果圖如圖8所示。

由圖8可以明顯看出，積分分離PID對于本文的測控系統(tǒng)效果明顯，且控制結(jié)果較好。

5、流量傳感器大擾動信號的問題及解決

5.1流量傳感器的問題

由于是首次進行吞雨測控系統(tǒng)設(shè)計，不可避免的總會遇到一些問題。在吞雨測控系統(tǒng)中要求采集瞬時流量以及累計流量，并要求較高的采集速度[11]。故在搭建系統(tǒng)之初，采用NIPCI6259模擬量采集卡采集瞬時流量信號，同時通過RS485模塊讀取累積流量信號。系統(tǒng)搭建完成后，在實際使用中發(fā)現(xiàn)，采集過程中發(fā)現(xiàn)瞬時流量信號不定期會發(fā)生大擾動信號干擾。擾動信號如圖9所示。

5.2流量傳感器問題分析

分析數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，擾動出現(xiàn)的時間并沒有規(guī)律性，而出現(xiàn)擾動的振幅基本一致，可以初步判斷出，該擾動信號是系統(tǒng)本身引起的。該信號為模擬量采集端口，在系統(tǒng)運行過程中，通過儀表監(jiān)視這一端口，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)擾動與圖9一致。

在排除管路、閥門、電路及采集卡等的因素外，將問題歸結(jié)為流量傳感器本身的問題，是由于其內(nèi)置算法及電路的原因，當(dāng)同時使用瞬時與累積通道時產(chǎn)生了該問題。與廠家溝通后，由于該產(chǎn)品為硬件固化成熟產(chǎn)品，無法從產(chǎn)品方面解決該問題，因此只能改變吞雨測控系統(tǒng)的設(shè)計進行解決。

由于在設(shè)定不同流量時，觀察該擾動，發(fā)現(xiàn)并無特定規(guī)律，故在軟件上進行信號濾波[12]比較困難（無法進行比例、奇值、數(shù)值等濾波），故選擇進行電路更改。

5.3流量傳感器問題解決

更改后的電路原理框圖如圖10所示。將流量傳感器的瞬時流量信號，經(jīng)信號隔離器后一分為二，其中一路直接進入PCI6259模擬量采集卡，作為瞬時流量，另一路進入流量積計算儀，轉(zhuǎn)換為累積流量，通過串口信號進入測控計算機。

更改模式后的實物圖如圖11所示。

更改完成后，系統(tǒng)運行后，瞬時流量信號如圖12所示，沒有發(fā)現(xiàn)該信號出現(xiàn)，系統(tǒng)運行正常。至此，大擾動信號干擾消除。

6 結(jié)語

通過對系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)進行建模仿真分析，分析系統(tǒng)在不同控制器下的響應(yīng)，從而選出了理論上最合適的控制器。由于供水系統(tǒng)設(shè)計的缺陷，導(dǎo)致經(jīng)典PID控制效果不理想，查閱大量資料后，引入積分分離PID概念，同時將LabVIEW與積分分離PID完美結(jié)合，解決了經(jīng)典PID在該系統(tǒng)中振蕩收斂的問題，系統(tǒng)得到了較好的控制效果。由于流量計本身的原因，導(dǎo)致在系統(tǒng)運行時，瞬時流量出現(xiàn)大擾動信號。在徹底分析原因后，制定更改吞雨測控系統(tǒng)電路的可行性方案，即采用信號隔離鏡像的方法解決流量傳感器同時傳輸瞬時流量和累積流量時，瞬時流量信號出現(xiàn)大擾動信號的問題。通過理論與實際的結(jié)合，理論與工程的結(jié)合，解決了一系列問題，完成了模型發(fā)動機吞雨測控系統(tǒng)的研制，同時圓滿完成了試驗任務(wù)。

參考文獻

[1]宋志安.基于MATLAB的液壓伺服控制系統(tǒng)分析與設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[2]魯俊，陳明新.離心泵H∞控制系統(tǒng)研究[J]. 銅仁學(xué)院學(xué)報，2018，20（3）：68-75.

[3]盧京潮.自動控制原理[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[4]胡壽松.自動控制原理第五版[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[5]盧艷軍.傳感與測試技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[6]李云龍.電力現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和移動數(shù)據(jù)同步技術(shù)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報2020，17（1）：34-35.

[7]熊曉倩.嵌入式系統(tǒng)傳感器的設(shè)計與應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2020，17（20）：1-2，5.

[8]黃忠霖.控制系統(tǒng)matlab計算及仿真[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[9]陳樹學(xué).LabVIEW實用工具詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[10]金詩博，門武斌.基于LabVIEW機器視覺的制品加工爐流量計識別監(jiān)控系統(tǒng)[J].科技資訊，2019，17（22）：34-36.

[11]焦崗，李雅靜.基于RT系統(tǒng)的高速液壓缸測控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2018，26（11）：85-88，107.

[12]宋曉健.基于自適應(yīng)RB F神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)壓力波信號濾波方法[J].西安石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2021，36（4）83-90，97.

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