關(guān) 喜 峰

(中航飛機(jī)股份有限公司 陜西 西安 710089)

0 引 言

飛機(jī)座艙壓力調(diào)節(jié)是飛機(jī)在執(zhí)行任務(wù)過程中的一個非常重要的環(huán)節(jié)，其直接關(guān)系到飛機(jī)上飛行人員的生命安全及飛行任務(wù)的完成與否。隨著新型戰(zhàn)機(jī)的發(fā)展，對飛機(jī)座艙環(huán)境的舒適性與安全性的要求越來越高[1]。但是，某XX型高速大機(jī)動飛機(jī)在高速俯沖過程中，高空座艙壓力增壓速度較慢，中低空座艙壓力增速超限，而且在高速俯沖轉(zhuǎn)平飛時，壓力調(diào)節(jié)精度差且調(diào)整時間長，嚴(yán)重影響飛行員的身體及工作狀態(tài)，甚至?xí)绊戯w機(jī)的安全性，造成機(jī)毀人亡的事故[2]。因此，座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中對于控制技術(shù)的改進(jìn)要求迫切，逐漸成為研究熱點(diǎn)[3]。

機(jī)載座艙壓力控制系統(tǒng)從最初的氣動式控制方式發(fā)展到電子氣動式，直至現(xiàn)在的純數(shù)字式[4-5]，其中影響座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素在于控制策略的制定[6]。在各類控制系統(tǒng)中，應(yīng)用最為廣泛且效果最好的壓力控制算法是PID控制算法及其改型[7-8]，如：魏天航等[9]提出了模糊增益調(diào)度控制方法以改善動態(tài)過程座艙壓力的超調(diào)量、提高響應(yīng)速度能力等；許苗峰[10]和劉超[4]將模糊PID控制器運(yùn)用于數(shù)字式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度并減少系統(tǒng)超調(diào)量?？梢?，眾多研究者們對于座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能的關(guān)注度很高，也迫切希望通過研究解決這一難題。然而，座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)面臨的實(shí)際環(huán)境十分惡劣，單靠一種控制方法并不能解決所有問題，因此，有學(xué)者開始關(guān)注某一特定環(huán)境下的座艙壓力調(diào)節(jié)控制方法的改進(jìn)，如本文關(guān)注的飛機(jī)高速俯沖環(huán)境下的座艙壓力控制方法的動態(tài)響應(yīng)優(yōu)化問題，西北工業(yè)大學(xué)鄭新華[2]博士曾針對該問題在其博士論文中進(jìn)行了詳細(xì)的闡述并提出了一種利用壓差補(bǔ)償?shù)姆椒▋?yōu)化改進(jìn)座艙壓力控制器的控制方法。但是，值得指出的是，這類控制方法僅適用于飛機(jī)特定飛行環(huán)境下的座艙壓力控制，當(dāng)發(fā)生飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，就會出現(xiàn)適用性差的問題。隨著控制領(lǐng)域?qū)χR庫的認(rèn)識不斷提高，控制實(shí)踐過程中的豐富控制經(jīng)驗(yàn)被不斷積累及學(xué)習(xí)，因此利用專家控制知識庫的豐富經(jīng)驗(yàn)結(jié)合其他控制策略的復(fù)合控制策略成為解決復(fù)雜控制問題的有效手段[11-12]。

為解決新型大機(jī)動戰(zhàn)機(jī)高空高速俯沖情況下座艙壓力增速慢及轉(zhuǎn)為平飛狀態(tài)時座艙壓力調(diào)節(jié)存在穩(wěn)態(tài)調(diào)整時間長的問題，本文提出一種飛機(jī)座艙壓力專家模糊PID預(yù)控方法。該方法對常規(guī)模糊PID控制存在的模糊規(guī)則無法隨被控對象環(huán)境改變而改變的缺點(diǎn)，利用專家控制器知識庫的動態(tài)學(xué)習(xí)能力，改善在飛行狀態(tài)切換時座艙壓力控制的控制能力，同時引入預(yù)測控制機(jī)制，進(jìn)一步提高壓力調(diào)節(jié)的動態(tài)性能。

1 座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

以數(shù)字式座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例，如圖1所示，它主要包括飛機(jī)座艙(被控對象)、控制電機(jī)和排氣活門(執(zhí)行機(jī)構(gòu))，以及座艙壓力控制器(控制機(jī)構(gòu))[4]。

圖1 座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成

1.2 工作原理

飛機(jī)座艙壓力控制系統(tǒng)的工作原理是利用飛機(jī)座艙壓力傳感器感受飛機(jī)座艙壓力，利用飛行數(shù)據(jù)感受環(huán)境大氣壓力，利用飛機(jī)座艙壓力控制器分析環(huán)境大氣與座艙內(nèi)的壓力，對控制電機(jī)和排氣活門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出動作控制指令，即向飛機(jī)座艙排氣活門發(fā)出氣動驅(qū)動信號來控制排氣活門的開啟度，改變飛機(jī)座艙內(nèi)空氣的排氣量，并按照飛機(jī)座艙壓力制度曲線這一規(guī)定規(guī)律調(diào)節(jié)座艙壓力和壓力變化速度，使其符合飛機(jī)座艙壓力制度。飛機(jī)座艙壓力調(diào)節(jié)過程一般分為三個階段：自由通風(fēng)階段，比例壓力調(diào)節(jié)階段，余壓調(diào)節(jié)階段。飛機(jī)座艙壓力制度即飛機(jī)座艙內(nèi)絕對壓力和余壓隨海平面高度的變化規(guī)律，主要取決于飛機(jī)的機(jī)種與飛行任務(wù)[2，4]。飛機(jī)座艙余壓即飛機(jī)座艙壓力與壓力制度(環(huán)境大氣壓力)之間的差值。

飛機(jī)座艙壓力制度隨海平面高度的變化規(guī)律為：

(1)

式中：h為海平面高度，單位m；?為年平均溫度直減率，0.006 5 ℃/m；ph為h高度上的大氣壓力，單位Pa；p0為海平面上的大氣壓力，p0=101 325 Pa；R為氣體常數(shù)，在各高度上不變，R=287 J/(kg·K)；g為重力加速度，g=9.81 m/s2[4]。

每個國家在飛機(jī)座艙壓力變化方面都有各自嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。美國軍用戰(zhàn)斗飛機(jī)座艙壓力的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是：當(dāng)飛機(jī)處于海拔2 438 m以下時，座艙不增壓。當(dāng)飛機(jī)海拔高度大于2 438 m且小于7 010 m時，座艙壓力保持在2 438 m時的壓力。當(dāng)飛機(jī)海拔高度超過7 010 m時，座艙余壓要保持在29.4～34.5 kPa之間。飛機(jī)座艙壓力增壓速率最大為3.45 kPa/s，減壓速率最大為6.89 kPa/s。我國座艙壓力標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為HB 6497—1991，規(guī)定座艙壓力最大的增壓速率為0.67 kPa/s，最大的減壓速率為1.33 kPa/s[2]。

2 專家模糊PID控制

在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)及機(jī)械控制方面，PID控制算法依舊是最廣泛應(yīng)用的方法，但是其控制參數(shù)的整定問題，不僅需要長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而且直接影響著控制效果好壞，因此大量的研究工作者開始尋找簡易有效的途徑來有效解決這一問題[10]。

模糊PID控制方法即是解決這一問題的有效途徑。該方法運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的理論和方法，把經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的條件、相應(yīng)操作等用模糊集來表示，并將這些模糊控制規(guī)則及相關(guān)信息作為經(jīng)驗(yàn)知識保存入計(jì)算機(jī)當(dāng)中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制器的實(shí)際響應(yīng)自動地進(jìn)行模糊推理，實(shí)現(xiàn)對PID控制參數(shù)的調(diào)整，并得到最佳組合，這就是模糊PID控制[10]。模糊自整定PID控制器目前有很多種結(jié)構(gòu)，但是其工作原理基本上是一致的。

模糊PID控制器是以實(shí)際輸入和實(shí)際輸出的誤差e及誤差變化ec作為控制器的輸入，能夠?qū)崿F(xiàn)不同控制環(huán)境下的e和ec對PID控制參數(shù)的自動整定。利用模糊控制規(guī)則對PID控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)在線自動調(diào)整，即模糊PID控制器，其中模糊控制系統(tǒng)基本流程如圖2所示，模糊PID控制器通用結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中：rin為輸入信號；de為誤差變化量；yout為輸出信號；de/dt為誤差變化率。

圖2 模糊控制系統(tǒng)

圖3 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

PID控制參數(shù)模糊自動整定即是尋找到PID三個控制參數(shù)與誤差e以及誤差變化ec之間的模糊關(guān)系，在實(shí)際控制過程中不斷根據(jù)e和ec、模糊控制理論對PID三個控制參數(shù)進(jìn)行不斷的在線調(diào)整，使PID三個控制參數(shù)kp、ki、kd滿足不同e和ec情況下的不同要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)良好的靜、動態(tài)性能。比例控制P、積分控制I、微分控制D是PID控制中的三個控制因素。

模糊PID控制的PID控制參數(shù)自動整定必須考慮在不同時刻不同環(huán)境下三個參數(shù)的作用。PID三個控制參數(shù)kp、ki、kd的作用分別是：

(1)kp是比例系數(shù)，其主要作用是提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。系統(tǒng)的響應(yīng)速度隨kp的數(shù)值增大而增大。kp越大，系統(tǒng)越容易產(chǎn)生超調(diào)，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；kp越小，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間越長，響應(yīng)速度越慢。

(2)ki是積分系數(shù)，目的是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除的速度隨ki的增大而增大。ki越大，系統(tǒng)在響應(yīng)過程中越容易差生超調(diào)；ki越小，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越差。

(3)kd是微分系數(shù)，目的是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。系統(tǒng)在響應(yīng)過程中抑制偏差的能力隨kd值的增大而增大。kd越大，會提前制動響應(yīng)過程，延長系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間，降低系統(tǒng)的抗干擾能力。

通過模糊PID控制的介紹，可以看出模糊規(guī)則一旦確定一般不易改變，同時模糊PID控制是一個PID參數(shù)的動態(tài)尋優(yōu)過程，該過程是以損耗時間和控制效果為代價的，這些缺點(diǎn)就影響了模糊PID控制的適用性。而專家控制是一種基于知識的控制，擁有豐富的知識庫資源，能夠有效地改善模糊PID控制的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。將專家控制與模糊PID控制有機(jī)結(jié)合構(gòu)成模糊PID控制器，可以在控制過程中動態(tài)積累更多的知識，同時節(jié)省模糊PID的控制參數(shù)尋優(yōu)時間，不斷提高控制質(zhì)量。

專家模糊PID控制實(shí)質(zhì)上屬于一種緊密型監(jiān)督控制策略，主要包括專家控制及模糊PID控制。其中專家控制是利用在控制時間中積累的大量的知識庫資源，對模糊PID控制進(jìn)行快速優(yōu)化，減少模糊控制的參數(shù)尋優(yōu)時間；而模糊PID控制則是被控對象的直接控制器。兩者的復(fù)合控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)被控對象在參數(shù)變化及結(jié)構(gòu)變化等情況下的魯棒性控制，且控制精度較高。

3 方法流程

本文設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)的框架如圖4所示，主要包括知識更新機(jī)制、知識庫技術(shù)、推理輸出三個部分。首先知識更新機(jī)制中，初始知識是利用專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行添加，更新知識是通過歷史選擇結(jié)合學(xué)習(xí)算法動態(tài)完成，具有自學(xué)習(xí)能力的知識庫能夠優(yōu)化專家系統(tǒng)的應(yīng)用效果，本文在這一部分不作深入描述。其次，是知識庫技術(shù)，該部分是根據(jù)文獻(xiàn)[13]，基于故障樹技術(shù)構(gòu)建的一種知識庫處理技術(shù)，該技術(shù)能夠明顯提高基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的執(zhí)行速度，通過構(gòu)建一個索引庫和若干限定范圍的規(guī)則庫，實(shí)現(xiàn)知識的索引、匹配和采用。最后是推理輸出，利用當(dāng)前PID三個控制參數(shù)kp、ki、kd值、大氣壓力變化率，以及飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間這些條件參量，對專家系統(tǒng)的知識庫進(jìn)行篩選推理，實(shí)現(xiàn)與模糊PID控制的集成。本文采用三種影響模糊PID控制的輸出邏輯：維持不變、重置、預(yù)控。維持不變是保持當(dāng)前模糊PID控制現(xiàn)狀，對控制參數(shù)不做調(diào)整。重置是利用知識庫積累的平飛狀態(tài)時穩(wěn)定的PID控制參數(shù)重置當(dāng)前狀態(tài)下的模糊PID控制參數(shù)，以減少模糊PID穩(wěn)態(tài)調(diào)整時間。預(yù)控則是根據(jù)飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間預(yù)測該時間間隔后的控制狀態(tài)，利用知識庫經(jīng)驗(yàn)預(yù)測調(diào)節(jié)模糊PID控制策略。通過前文模糊PID控制的介紹，可以看出模糊規(guī)則一旦確定一般不易改變，同時模糊PID控制是一個PID參數(shù)的動態(tài)尋優(yōu)過程，該過程是以損耗時間和控制效果為代價的，這些缺點(diǎn)就影響了模糊PID控制的適用性，尤其在飛機(jī)飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時。本文利用專家系統(tǒng)改善模糊PID控制的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，經(jīng)過專家知識庫的動態(tài)學(xué)習(xí)，得出飛機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，采用模糊PID控制、模糊預(yù)控、重置PID控制參數(shù)的專家控制策略具有最佳的控制效果的結(jié)論。

圖4 專家系統(tǒng)框架

本文方法的流程如圖5所示，本文方法利用專家模糊PID預(yù)控方法替代常規(guī)模糊PID控制策略。在飛機(jī)高速俯沖過程中，考慮了飛機(jī)高速變化率及壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)自身時間延遲的影響，對當(dāng)前高度下的大氣壓力進(jìn)行優(yōu)化，同時利用大氣壓力增速速度對壓力調(diào)節(jié)過程進(jìn)行適當(dāng)修正。在飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，利用專家控制知識庫動態(tài)學(xué)習(xí)能力，對模糊PID控制進(jìn)行預(yù)控修正并引入重置機(jī)制，通過不斷的學(xué)習(xí)，得出狀態(tài)轉(zhuǎn)換時最佳控制策略為模糊PID控制、模糊預(yù)控、重置PID控制參數(shù)的專家控制策略。

圖5 本文方法流程

本文方法步驟如下：

步驟1計(jì)算飛機(jī)速度與壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)自身時間延遲帶來的距離延遲，以及距離延遲后的高度下的大氣壓力值，作為控制器的目標(biāo)值輸入。

步驟2以步驟1得到的優(yōu)化后的大氣壓力值為目標(biāo)值，按照式(2)和式(3)計(jì)算誤差e和誤差變化ec。

e=r-y

(2)

ec=et-et-1

(3)

式中：r表示t時刻大氣壓力目標(biāo)值；y表示t時刻飛機(jī)座艙壓力值；et表示t時刻誤差。

步驟3以誤差e和誤差變化ec為輸入，設(shè)計(jì)模糊控制器規(guī)則，對PID控制參數(shù)進(jìn)行自整定。本文設(shè)計(jì)7個模糊子集來進(jìn)行描述：Kd={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，分別表示{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}。其中模糊控制器輸入和輸出的隸屬度函數(shù)分布為三角形，如圖6所示。

圖6 三角形隸屬度函數(shù)分布圖

為了建立合理的控制規(guī)則，得到更好的動態(tài)性能，需要對不同情況的動態(tài)過程使用不同的PID控制參數(shù)。如當(dāng)|e|的值較大時，為了有較快的系統(tǒng)響應(yīng)性能，防止偏差的瞬間增大，應(yīng)當(dāng)提高P的作用而減小D的作用，同時取消I的作用；當(dāng)|e|和|ec|的值為中等大小時，為了使系統(tǒng)響應(yīng)速度較快且超調(diào)量較小，應(yīng)當(dāng)減小P的作用，適當(dāng)選擇ki和kd；當(dāng)|e|的值比較小時，為了使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)當(dāng)增加P和I的作用，適當(dāng)選擇kd。

依照上述的PID控制參數(shù)調(diào)整規(guī)則，建立如表1、表2所示的控制參數(shù)模糊規(guī)則表。

表1 Δ kp/Δ ki的模糊規(guī)則表

表2 Δ kd的模糊規(guī)則表

步驟4模糊推理并解模糊，得到模糊PID控制器輸出的精確量。本文選用常用的式(4)加權(quán)平均法進(jìn)行解模糊。

(4)

式中，xi為論域X上的n個元素，n為元素數(shù)量；μ(xi)為隸屬函數(shù)的加權(quán)系數(shù)。

步驟5利用飛機(jī)高度變化率帶來的大氣壓力增速對壓力調(diào)節(jié)過程進(jìn)行適當(dāng)修正。當(dāng)大氣增壓速度超過規(guī)定的座艙壓力最大增速時，為了有較快的系統(tǒng)響應(yīng)性能，直接最大化P的作用，Δkp取最大值，直至座艙壓力增壓速度達(dá)到規(guī)定的最大值。

步驟6知識庫積累、學(xué)習(xí)大氣壓力變化率、模糊控制器控制策略。

步驟7根據(jù)飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間預(yù)測該時間間隔后的控制狀態(tài)，利用知識庫經(jīng)驗(yàn)預(yù)測調(diào)節(jié)模糊PID控制策略。

步驟8當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)調(diào)整階段時，利用知識庫積累的平飛狀態(tài)時穩(wěn)定的PID控制參數(shù)重置當(dāng)前狀態(tài)下的模糊PID控制策略，以減少穩(wěn)態(tài)調(diào)整的時間。

4 實(shí) 驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[2]的分析案例，利用文獻(xiàn)[14]的數(shù)學(xué)模型，對本文方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。案例為某型戰(zhàn)機(jī)從15 km高空以250 m/s的垂直速度向低空高速俯沖，在3 km高度處改為平飛狀態(tài)，設(shè)定余壓29.4 kPa，假設(shè)飛機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)延遲時間為1 s，狀態(tài)切換時間為3 s。本文以文獻(xiàn)[4]模糊PID方法以及不增加專家控制的本文方法為對比，對本文方法效果進(jìn)行對比分析。

評價方法優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是：飛機(jī)座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在增壓、減壓速度不超過規(guī)范限的前提下，能夠盡可能地增加飛機(jī)處于正常作戰(zhàn)性能發(fā)揮的時間，轉(zhuǎn)換技術(shù)指標(biāo)為增加座艙余壓減少至0的飛行過程時間、增加飛機(jī)保持正常壓力的空域范圍[2，4]，同時減少飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時壓力調(diào)節(jié)超調(diào)量及減少穩(wěn)態(tài)調(diào)整時間。

如圖7所示，模糊PID控制策略情況下的戰(zhàn)機(jī)在俯沖開始后，座艙壓力增速逐漸增大，整個過程的座艙壓力的平均增壓速度為0.558 kPa/s。在俯沖時間為46 s至47 s之間時座艙余壓為0，對應(yīng)高度為3 250 m至3 500 m，之后出現(xiàn)負(fù)壓，座艙壓力開始超限。本文方法控制下的戰(zhàn)機(jī)在俯沖開始后座艙壓力增速較快，整個過程的座艙壓力的平均增壓速度為0.610 kPa/s。同時，在俯沖至平飛狀態(tài)時，座艙余壓仍不為0。在飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，本文方法相比于不增加專家控制的控制策略，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間提前了4 s，相比于文獻(xiàn)[4]的模糊PID控制方法提前了7 s，具體評價指標(biāo)對比如表3所示?？梢姳疚姆椒ㄔ诟_時，提高了座艙壓力的增壓速度，增加了空域范圍；在高速俯沖轉(zhuǎn)為平飛時，減少了達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間，改善了座艙壓力系統(tǒng)的動態(tài)性能。

圖7 仿真實(shí)驗(yàn)對比效果圖

表3 評價指標(biāo)對比

5 結(jié) 語

為解決新型大機(jī)動戰(zhàn)機(jī)高空高速俯沖情況下座艙壓力增速慢及轉(zhuǎn)為平飛狀態(tài)時座艙壓力調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)時間長的問題，本文提出一種飛機(jī)座艙壓力專家模糊PID預(yù)控方法，通過對比仿真實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了本文方法的有效性。在戰(zhàn)機(jī)高速俯沖情況下，本文利用壓調(diào)系統(tǒng)時間延遲及飛機(jī)高度變化率改進(jìn)的模糊PID控制策略能夠提高座艙壓力增壓速度，提高俯沖時間及戰(zhàn)機(jī)空域范圍；在飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，本文提出的專家模糊PID預(yù)控方法能夠利用知識庫改進(jìn)模糊PID控制策略，通過減少控制策略調(diào)整時間來達(dá)到減少穩(wěn)態(tài)調(diào)整時間的目的。