杜 寧，涂 清，易 凡，向 兵，唐小力

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所，四川 綿陽 621000)

0 引言

推力矢量[1-6]是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗機(jī)過失速機(jī)動(dòng)和直接力控制模式超機(jī)動(dòng)能力的一項(xiàng)氣動(dòng)/動(dòng)力裝置一體化技術(shù)，在現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)突破失速障、增強(qiáng)機(jī)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(xiàn)代高性能戰(zhàn)斗機(jī)的必備技術(shù)[7--15]，是第四代戰(zhàn)斗機(jī)的重要標(biāo)志之一。其中，推力矢量試驗(yàn)設(shè)備的控制系統(tǒng)研制是該項(xiàng)目建設(shè)中極其重要的一個(gè)子項(xiàng)?？刂葡到y(tǒng)的作用除了能夠?yàn)樵囼?yàn)提供可靠穩(wěn)定的高壓氣源，更重要的是還可以對(duì)多路高壓、大流量氣流進(jìn)行精確的流量控制、對(duì)氣流流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以滿足試驗(yàn)的需要。

結(jié)合推力矢量試驗(yàn)設(shè)備的特性，將整個(gè)控制過程分為啟動(dòng)充壓、壓力調(diào)節(jié)和流量調(diào)節(jié)3個(gè)階段，并分階段開展了專家系統(tǒng)、智能PID以及補(bǔ)償解耦等控制策略研究，最終達(dá)到了設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)要求。

1 推力矢量試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

推力矢量流量控制系統(tǒng)主要用于氣體流量的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)。整個(gè)控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，高壓管路供氣系統(tǒng)和流量控制系統(tǒng)。高壓管路供氣系統(tǒng)主要由閘閥、氣動(dòng)球閥以及多級(jí)減壓閥組成，其作用是為推力矢量試驗(yàn)裝置提供安全穩(wěn)定可靠的氣源。流量控制系統(tǒng)主要由調(diào)壓閥、高精度數(shù)字閥以及流量計(jì)組成，其作用是對(duì)高壓氣流進(jìn)行精確控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以滿足試驗(yàn)的需求。

為保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)采用上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)形式。上位機(jī)選用工控機(jī)作為流量控制系統(tǒng)的操作員站和工程師站，實(shí)現(xiàn)流量控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定和系統(tǒng)操作/維護(hù)功能。下位機(jī)選用GE PACSystems RX3i PLC控制器為主站，VersaMax系列的遠(yuǎn)程I/O為從站。下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)和測(cè)量以及對(duì)高壓管路設(shè)備的安全監(jiān)控。下位機(jī)從上位機(jī)接收試驗(yàn)參數(shù)，由PLC系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行相應(yīng)的控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的精確控制，同時(shí)承擔(dān)驅(qū)動(dòng)氣體流量控制系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖工作，當(dāng)試驗(yàn)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)采取有效措施，保證人員和設(shè)備安全。上位機(jī)軟件選用Labview軟件平臺(tái)，下位機(jī)選用Cimplicity Machine Edition軟件平臺(tái)，上下位機(jī)通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。推力矢量控制系如圖1所示。

圖1 推力矢量試驗(yàn)裝置原理圖

推力矢量控制系統(tǒng)研制的技術(shù)指標(biāo)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(diào)節(jié)控制精度：3‰～5‰。

2 多模型控制策略

2.1 控制難點(diǎn)分析

推力矢量試驗(yàn)裝置對(duì)流量控制精度要求高、調(diào)節(jié)時(shí)間要求短，而推力矢量流量系統(tǒng)本身具有的調(diào)整范圍大、滯后、非線性、耦合強(qiáng)等特性，給流量的精確控制帶來很大的難度，具體表現(xiàn)在：

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

2)系統(tǒng)存在大滯后和強(qiáng)耦合。受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)限制，壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)本身存在大滯后；且多路供氣管路之間存在相互干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)中各個(gè)主要變量間存在相互耦合。

3)流量調(diào)節(jié)精度要求高。試驗(yàn)對(duì)流量調(diào)節(jié)精度提出了很高的要求，其控制系統(tǒng)流量控制精度要求達(dá)到3‰～5‰，這一要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工業(yè)控制的精度要求。

4)流量調(diào)節(jié)速度要求快。為了節(jié)省氣源，降低試驗(yàn)成本，要求流量盡可能快的調(diào)整至設(shè)定值，并保持到試驗(yàn)結(jié)束。

2.2 多模型控制策略設(shè)計(jì)

針對(duì)推力矢量試驗(yàn)中對(duì)控制系統(tǒng)的流量精度要求以及推力矢量系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)控制器提出如下要求：

1)在試驗(yàn)初期，需要快速的將流量調(diào)整至設(shè)定值附近，以節(jié)省氣源，降低試驗(yàn)成本。

2)在試驗(yàn)進(jìn)行過程中，采用高精度控制器，以保證流量控制精度達(dá)到3‰～5‰。

由此可見，對(duì)于試驗(yàn)的不同階段，對(duì)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(shí)滿足試驗(yàn)各個(gè)階段的控制需求。因此必須針對(duì)不同試驗(yàn)階段的要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)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(gè)監(jiān)控機(jī)制。當(dāng)被控對(duì)象的控制域發(fā)生較大的變化時(shí)，監(jiān)督機(jī)構(gòu)能夠快速識(shí)別此變化并做出決策以選擇適用于當(dāng)前系統(tǒng)工作條件的控制方法?；诖耍瑢⒄麄€(gè)試驗(yàn)過程分為啟動(dòng)充壓、壓力調(diào)節(jié)和流量調(diào)節(jié)3個(gè)階段，并提出如下的多模型控制策略：

啟動(dòng)充壓階段主要是為實(shí)現(xiàn)快速建立流場(chǎng)、降低能耗的目的。由此該階段采用基于專家知識(shí)的開環(huán)控制策略，調(diào)整調(diào)壓閥后壓力，待壓力達(dá)到設(shè)定壓力的0.9倍后轉(zhuǎn)入閉環(huán)控制。

壓力調(diào)節(jié)階段主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)壓閥后壓力的精確調(diào)節(jié)。考慮到氣源壓力的下降、波動(dòng)及管路之間的相互耦合等因素對(duì)壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)的擾動(dòng)及影響，根據(jù)調(diào)壓閥后壓力偏差及其變化特點(diǎn)，將變積分系數(shù)和增量式控制算法相結(jié)合，設(shè)計(jì)自適應(yīng)PID控制器，以滿足對(duì)工作點(diǎn)壓力的精確控制。當(dāng)調(diào)壓閥后壓力控制精度達(dá)到1%時(shí)，轉(zhuǎn)換至流量調(diào)節(jié)階段。

流量調(diào)節(jié)階段主要是實(shí)現(xiàn)流量的精確調(diào)節(jié)。由于調(diào)壓閥對(duì)閥后壓力調(diào)節(jié)與數(shù)字閥對(duì)流量調(diào)節(jié)之間存在一定的耦合關(guān)系，在流量精確調(diào)節(jié)過程中，采用補(bǔ)償解耦控制策略，最終實(shí)現(xiàn)流量的精確控制。當(dāng)流量控制精度達(dá)到3‰～5‰的指標(biāo)要求后，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

為保證控制策略的實(shí)現(xiàn)，我們對(duì)試驗(yàn)流程也進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 推力矢量試驗(yàn)流程

3 基于專家系統(tǒng)的啟動(dòng)充壓階段控制

專家系統(tǒng)是一個(gè)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)與經(jīng)驗(yàn)，能夠利用人類專家的知識(shí)和解決問題的方法來處理該領(lǐng)域的問題[16-17]。

在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)過多年的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，相關(guān)操作人員采集了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以充分的顯示出設(shè)備的特性信息；此外氣動(dòng)專家結(jié)合專業(yè)理論知識(shí)和長時(shí)間的實(shí)踐探索，獲得了豐富的理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。這些專家知識(shí)對(duì)啟動(dòng)沖壓階段流場(chǎng)快速建立的過程具有十分重要的指導(dǎo)意義。因此，根據(jù)專家知識(shí)創(chuàng)建出對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)充壓階段控制知識(shí)庫，并結(jié)合知識(shí)庫中的相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的控制規(guī)則庫，以實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)的快速建立。

3.1 定義特征參數(shù)表

以兩路流量調(diào)節(jié)為例，依據(jù)控制流程，結(jié)合氣動(dòng)專業(yè)人員提供的參數(shù)，定義出啟動(dòng)充壓階段控制系統(tǒng)的特征參數(shù)，以及典型取值，如表1、表2所示。

表1 控制系統(tǒng)特征參數(shù)

表2 充壓過程典型取值

3.2 創(chuàng)建知識(shí)庫與規(guī)則庫

結(jié)合地面調(diào)試時(shí)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)所反映出的現(xiàn)象信息和“氣動(dòng)專家知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)”，創(chuàng)建出知識(shí)庫，并根據(jù)知識(shí)庫設(shè)計(jì)出了如下的流量控制專家規(guī)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(diào)壓閥后壓力；S10、S20為1#、2#數(shù)字閥開度設(shè)定。該規(guī)則的優(yōu)點(diǎn)是使調(diào)壓閥后壓力快速到達(dá)設(shè)定的切換點(diǎn)，進(jìn)入壓力閉環(huán)控制，避免壓力出現(xiàn)震蕩。

4 壓力調(diào)節(jié)階段的智能PID控制

在壓力調(diào)節(jié)階段，考慮到氣源壓力的下降、波動(dòng)及管路之間的相互耦合等因素對(duì)壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)的擾動(dòng)及影響，根據(jù)調(diào)壓閥后壓力偏差的變化特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)和操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出將變積分系數(shù)和增量式控制算法相結(jié)合的智能PID控制器[18]，以克服常規(guī)PID控制器受被控對(duì)象非線性特性影響大、對(duì)擾動(dòng)適應(yīng)能力弱的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓閥后工作點(diǎn)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(shù)；ki為積分系數(shù)；kd為微分系數(shù)；K為控制器參數(shù)。

當(dāng)|e(k)|≤1 kPa、調(diào)壓閥進(jìn)入閉環(huán)控制壓力階段時(shí)，智能PID控制器分以下4種情況設(shè)計(jì)。

1)當(dāng)e(k)Δe(k)>0且e(k)Δe(k-1)<0時(shí)，誤差向誤差絕對(duì)值增大方向變化，此時(shí)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(dāng)e(k)Δe(k)<0且e(k)Δe(k-1)>0或e(k)=0時(shí)，誤差的絕對(duì)值向減小的方向變化或者已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。此時(shí)，保持控制器輸出不變。

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

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

(3)

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

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

(4)

以上式中K1>K2。

4)當(dāng)|e(k)|<0.05 kPa時(shí)，說明誤差絕對(duì)值很小，此時(shí)加入積分環(huán)節(jié)，減小穩(wěn)態(tài)誤差，直到調(diào)壓閥后壓力達(dá)到精度要求。

5 流量調(diào)節(jié)階段的精確控制

流量調(diào)節(jié)階段是整個(gè)流量控制的關(guān)鍵階段，調(diào)壓閥對(duì)閥后壓力調(diào)節(jié)與數(shù)字閥對(duì)流量調(diào)節(jié)之間存在一定耦合關(guān)系。同時(shí)，為快速、高精度控制流量，設(shè)計(jì)了兩個(gè)并聯(lián)的控制器，分別為暫態(tài)控制器和穩(wěn)態(tài)控制器。暫態(tài)控制器適用于流量變化的過程，采用改變調(diào)壓閥開度開環(huán)補(bǔ)償調(diào)壓閥后壓力，同時(shí)調(diào)整數(shù)字閥的開度。當(dāng)觸及到危險(xiǎn)流量范圍時(shí)，快速改變流量以通過危險(xiǎn)流量區(qū)域，確保設(shè)備安全。待流量達(dá)到設(shè)定值附近時(shí)，轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)控制器。穩(wěn)態(tài)控制器具有極好的設(shè)定值跟蹤能力，適用于流量小階差調(diào)節(jié)和穩(wěn)態(tài)過程，既保證了在設(shè)定值附近具有良好的調(diào)節(jié)效果，又具有很好的抑制干擾能力。

為有效消除調(diào)壓閥后工作點(diǎn)壓力與流量之間的耦合關(guān)系，采用補(bǔ)償解耦控制策略[19-20]來實(shí)現(xiàn)流量的精確控制?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 補(bǔ)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(shè)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(tài)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(xiàng)變速因子，其表達(dá)式為：

(7)

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

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，依次對(duì)硬件、軟件等功能進(jìn)行了測(cè)試，然后進(jìn)行了系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。聯(lián)合調(diào)試主要分為模擬調(diào)試和帶動(dòng)力調(diào)試。模擬調(diào)試是通過模擬壓力、流量反饋對(duì)控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試。帶動(dòng)力調(diào)試是連通高壓氣源，通過安裝在管路上的傳感器和流量計(jì)作為信號(hào)源，采用多模型控制策略對(duì)管路閥門進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，以驗(yàn)證實(shí)際效果。

經(jīng)過前期周密的準(zhǔn)備，項(xiàng)目組順利完成了推力矢量控制系統(tǒng)的調(diào)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(yàn)時(shí)，通過基于專家經(jīng)驗(yàn)的智能控制，保證了系統(tǒng)快速?zèng)_壓；在壓力、流量調(diào)節(jié)階段，通過補(bǔ)償解耦控制策略，流量能快速接近設(shè)定值并迅速收斂達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。從圖4(b)中可以看出，在大流量時(shí)，系統(tǒng)同樣具有較強(qiáng)的控制、調(diào)整能力，表明控制器設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

為進(jìn)一步說明本文所提方法的有效性，對(duì)各個(gè)不同目標(biāo)流量的工況進(jìn)行試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)的控制精度，并與之前采用傳統(tǒng)PID控制算法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。該精度由如下公式計(jì)算得到：

(8)

圖5為采用本文所提算法在不同試驗(yàn)工況下得到的流量控制精度，圖6為采用傳統(tǒng)PID控制算法在不同試驗(yàn)工況下得到的流量控制精度。從圖6中可以看出，采用傳統(tǒng)PID控制算法得到的控制精度不能滿足試驗(yàn)要求，最小值僅為5‰，并隨著流量設(shè)定值的增大而逐漸增大；而從圖5中可以看出，系統(tǒng)流量控制精度最大值為3.5‰(2#管路350g/s時(shí))，最小值小于1‰，控制精度大幅度優(yōu)于采用傳統(tǒng)PID控制算法的到的結(jié)果，完全滿足進(jìn)行推力矢量試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的3‰～5‰的指標(biāo)要求。這是由于采用分段控制的方法，針對(duì)不同階段的特性，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)出相應(yīng)的控制器，能夠很好的實(shí)現(xiàn)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(jié)束語

通過本研究，可以得到以下結(jié)論：

1)研制的流量控制系統(tǒng)，流量控制精度達(dá)到3‰～5‰，完全滿足推力矢量試驗(yàn)的對(duì)流量精準(zhǔn)度的需求。

2)設(shè)計(jì)的多模型精確控制策略，能很好地克服了系統(tǒng)本身的特性，實(shí)現(xiàn)氣流在高壓、大流量條件下的高精度控制。

3)基于補(bǔ)償解耦控制策略，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的控制、調(diào)整能力，流量能快速接近設(shè)定值并迅速收斂達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。