原志翔

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

除冰液加熱與噴射系統(tǒng)是保障飛機(jī)冬季航行安全的重要組成部分，而該系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中往往伴隨著管路壓力的變化，對(duì)除冰系統(tǒng)的運(yùn)行安全和加熱溫度產(chǎn)生一定的影響，這就需要在飛機(jī)除冰系統(tǒng)基本原理的基礎(chǔ)上對(duì)引起管路壓力的有關(guān)因素進(jìn)行全面的分析。因此，本次研究通過(guò)模糊控制技術(shù)來(lái)調(diào)整除冰系統(tǒng)管路壓力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)管路壓力波動(dòng)的有效控制。

1 飛機(jī)除冰液的基本特性

飛機(jī)除冰液是飛機(jī)除冰系統(tǒng)的熱量流動(dòng)載體，通過(guò)外部加熱可以快速提升小型鍋爐內(nèi)的壓力，進(jìn)而使除冰液與水充分混合。由于除冰液具有較高的黏度，因此在升高溫度的情況下，其黏度系數(shù)、阻力系數(shù)等液力特性會(huì)出現(xiàn)一定的變化，進(jìn)而改變熱系統(tǒng)管路阻力特性，最終表現(xiàn)為管路壓力波動(dòng)，對(duì)小型鍋爐的安全和加熱效果產(chǎn)生負(fù)面影響[1-3]。

2 飛機(jī)除冰車管路系統(tǒng)概述

2.1 管路布局

飛機(jī)除冰系統(tǒng)管路的基本布局如圖1所示，在飛機(jī)除冰系統(tǒng)的作用下，小型鍋爐中的水和除冰液會(huì)按照一定比例充分混合，并通過(guò)加熱裝置以混合溶液進(jìn)行加熱處理，同時(shí)通過(guò)加熱升壓的方式噴射混合溶液，噴槍自身也可以調(diào)節(jié)混合溶液的噴射流量。由此可見(jiàn)，飛機(jī)除冰系統(tǒng)是管路系統(tǒng)、泵、小型鍋爐、儲(chǔ)液箱等設(shè)備的集成體系[4-6]。

圖1 飛機(jī)除冰系統(tǒng)管路布局

2.2 管路系統(tǒng)運(yùn)行模式

在飛機(jī)除冰車管路系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，其運(yùn)行模式可以劃分為加熱模式、噴射模式和等待模式三種。

1)加熱模式

在儲(chǔ)液箱溫度較低的情況下，系統(tǒng)會(huì)對(duì)小型鍋爐進(jìn)行預(yù)加熱處理，同時(shí)將熱回液閥打開(kāi)，使除冰液回流至儲(chǔ)液箱，進(jìn)而增加除冰液溫度，在除冰液溫度提升至5 ℃的情況下停止加熱，系統(tǒng)開(kāi)啟等待模式[7-8]。

2)噴射模式

當(dāng)需要進(jìn)行除冰操作時(shí)，系統(tǒng)將由等待模式轉(zhuǎn)換為噴射模式。噴槍啟動(dòng)后，管路系統(tǒng)會(huì)接收到來(lái)自噴槍的啟動(dòng)信號(hào)，小型鍋爐開(kāi)始運(yùn)作，熱回液閥門自動(dòng)關(guān)閉并噴射除冰液。待結(jié)束噴射后，鍋爐熄火，噴槍關(guān)閉，系統(tǒng)自動(dòng)將回液閥打開(kāi)并重新開(kāi)啟等待模式[9]。

3)等待模式

管路系統(tǒng)在進(jìn)入等待模式的情況下會(huì)自動(dòng)調(diào)整噴射位置以準(zhǔn)備下一次除冰，水泵繼續(xù)維持開(kāi)啟狀態(tài)以提高作業(yè)效率，此時(shí)熱回液閥開(kāi)啟，小型鍋爐停止點(diǎn)火，防止鍋爐因加熱過(guò)度而出現(xiàn)氣化問(wèn)題。在完成調(diào)整之后噴槍再次開(kāi)啟，進(jìn)而恢復(fù)噴射模式[10-11]。

3 管路壓力波動(dòng)控制

3.1 引起管路壓力波動(dòng)的有關(guān)因素

管路系統(tǒng)在加熱管路的同時(shí)，壓力與溫度是相互關(guān)聯(lián)、相互耦合的一對(duì)參數(shù)。小型鍋爐升溫的過(guò)程同時(shí)也是壓力損失增加的過(guò)程。出于一般作業(yè)需要的考慮，除冰系統(tǒng)需要依照冰雪狀況來(lái)對(duì)噴槍的水花和流量進(jìn)行調(diào)整。通常情況下，噴槍會(huì)在50～23 L/min的流量范圍內(nèi)設(shè)置6個(gè)擋位，每一次擋位的變化均會(huì)使管路系統(tǒng)的壓力發(fā)生變化。尤其是在管路系統(tǒng)運(yùn)行模式發(fā)生變化的情況下，系統(tǒng)需要切換冷、熱回閥，同樣會(huì)使管路產(chǎn)生壓力波動(dòng)[12-13]。

3.2 控制方案

在噴槍流量發(fā)生變化的情況下，管路負(fù)載也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，進(jìn)而引起水泵工作點(diǎn)波動(dòng)，出于管路系統(tǒng)壓力恒定方面的考慮，還需要在結(jié)合系統(tǒng)壓力偏差的基礎(chǔ)上通過(guò)調(diào)整變頻器來(lái)維持合理的系統(tǒng)壓力。在小型鍋爐管路不斷升溫的過(guò)程中，鍋爐在運(yùn)行狀態(tài)下的流量與沿程阻力也會(huì)發(fā)生明顯的變化，致使管路系統(tǒng)體現(xiàn)出非線性的壓力變化，數(shù)學(xué)模型的建立難度也相應(yīng)增加，因此需要基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為管路壓力控制建立模糊控制策略。

4 模糊控制器設(shè)計(jì)方案

模糊邏輯是模糊控制的核心理論，模糊控制器本質(zhì)上是一種基于現(xiàn)有知識(shí)而建立起來(lái)的控制路徑，通過(guò)語(yǔ)言變量對(duì)受控對(duì)象的特征加以描述，無(wú)需精確的數(shù)據(jù)指導(dǎo)，能夠基于人為設(shè)定的控制規(guī)則和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息輸出控制信號(hào)，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、魯棒性強(qiáng)、對(duì)參數(shù)變化不敏感等方面，在結(jié)構(gòu)上主要包括模糊規(guī)則、被控對(duì)象、輸入量化和輸出量化等部分，基本原理如圖2所示。

圖2 模糊控制器基本原理

如圖2所示，r為輸入變量的給定值；U為輸出語(yǔ)言變量(解模糊化后)；u為實(shí)際控制信號(hào)輸出值(經(jīng)輸出量化后)；e為輸入變量的誤差；ec為誤差的變化率；e與ec在經(jīng)過(guò)輸入量化處理后，分別以E和EC為各自的語(yǔ)言變量。

4.1 精確量的模糊化

通過(guò)離散化處理的方式將輸入量偏差e劃分為幾個(gè)不同的等級(jí)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，本次研究分別對(duì)于誤差e的基本論域、模糊子集論域和語(yǔ)言變量的設(shè)定方案如表1所示。

表1 誤差e的變量設(shè)定方案

對(duì)于誤差ec的基本論域、模糊子集論域和語(yǔ)言變量的設(shè)定方案如表2所示。

表2 誤差ec的變量設(shè)定方案

對(duì)于誤差u的基本論域、模糊子集論域和語(yǔ)言變量的設(shè)定方案如表3所示。

表3 誤差u的變量設(shè)定方案

出于計(jì)算便利性方面的考慮，本次研究通過(guò)三角形隸屬函數(shù)來(lái)描述各語(yǔ)言變量模糊子集的隸屬度函數(shù)。為了進(jìn)一步提高管路系統(tǒng)壓力的響應(yīng)速度，還需要通過(guò)隸屬函數(shù)曲線的形式來(lái)為語(yǔ)言變量E，EC，U賦值。另外，為了降低U語(yǔ)言變量值在零附近的覆蓋面積，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)態(tài)精度，適當(dāng)?shù)靥嵘薖L與NL的覆蓋面積，進(jìn)而形成如圖3所示的語(yǔ)言變量賦值方案。

圖3 語(yǔ)言變量E、EC和U的賦值

4.2 模糊規(guī)則與推理

為了使模糊控制器達(dá)到最佳的靜態(tài)性能水平，需要在誤差較大的情況下及時(shí)將誤差消除，而在誤差較小的情況下，則需要通過(guò)對(duì)控制量的調(diào)整來(lái)降低穩(wěn)態(tài)誤差。本次研究基于既有的管路壓力控制工作經(jīng)驗(yàn)以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)觀察，總結(jié)出以下幾項(xiàng)控制規(guī)則：

IFE=PL ANDEC=PS THENU=NL

IFE=PL ANDEC=PL OREC=PM THENU=NL

…

在上述規(guī)則的基礎(chǔ)上，借助模糊集合對(duì)語(yǔ)言變量加以轉(zhuǎn)換，進(jìn)而建立如下所示的模糊關(guān)系矩陣:

R=U∪(E×EC)

該模糊關(guān)系可用來(lái)對(duì)模糊控制器的輸入、輸出特性加以描述，在完成模糊關(guān)系的建立工作后，根據(jù)模糊合成規(guī)則和輸入變量的語(yǔ)言值即可生成如表4所示的模糊控制表。

表4 管路壓力模糊控制規(guī)則表

4.3 建立控制查詢表

建立控制查詢表，首先要將模糊子集U轉(zhuǎn)換為明確的控制信號(hào)，在實(shí)際操作中可以通過(guò)重心法對(duì)模糊控制器所生成的模糊子集加以明確，最終生成模糊控制器查詢表，由計(jì)算機(jī)根據(jù)查詢表向受控對(duì)象發(fā)出指令，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)于飛機(jī)除冰車管路壓力的模糊控制。