周 易，黃 猛，陶國云，羅振偉，王曉宇

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015；2.空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室，沈陽 110015）

0 引言

航空發(fā)動機地面試車臺能夠通過管道供氣的方式為航空發(fā)動機提供一定溫度、壓力的氣體，模擬在不同飛行狀態(tài)下發(fā)動機的工作環(huán)境。加溫加壓進氣系統(tǒng)是試車臺的重要組成部分，直接影響發(fā)動機試驗環(huán)境的模擬情況。為保證發(fā)動機的試驗環(huán)境，對進氣系統(tǒng)的供氣溫度、壓力、流量范圍和隨動能力等提出了非常高的要求。

目前中國已有用于航空發(fā)動機整機的地面試車臺，能夠為航空發(fā)動機整機提供高空模擬狀態(tài)下的進排氣環(huán)境，但是其進氣溫度、壓力的調(diào)節(jié)精度不高；國外同樣有類似的航空發(fā)動機地面試車臺，但是其具體設(shè)計參數(shù)無法知悉。

但志宏等[1]介紹了模糊比例-積分-微分（Proportional Integral Derivative，PID）控制器的技術(shù)原理和基于可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的控制器解決方案及設(shè)計方法；張松等[2]將常規(guī)PID控制和模糊控制結(jié)合起來，構(gòu)成兼有二者優(yōu)點的排氣環(huán)境壓力控制系統(tǒng)的具體實施方案；廖邦興等[3]提出了核心機燃油與控制系統(tǒng)的選用原則和核心機控制計劃制訂的基本方法；彭勇剛[4]針對模糊控制技術(shù)應用的幾個關(guān)鍵問題及其解決方法進行了研究，擴大了模糊控制的應用范圍；熊荊江[5]結(jié)合某高空模擬試車臺建設(shè)的工程實踐，對該高空臺供氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計進行了深入研究；錢偉[6]從控制理論的基本概念與方法出發(fā)，在構(gòu)造合適的Lyapunov-Krasovskii泛函的基礎(chǔ)上，采用不同的分析方法探討了時滯系統(tǒng)的若干問題；喬彥平等[7]將遺傳算法應用到進排氣系統(tǒng)進氣壓力自動控制系統(tǒng)中，對自動控制系統(tǒng)的PID控制參數(shù)進行優(yōu)化，獲得良好的控制效果；張松等[8]結(jié)合高空臺調(diào)壓系統(tǒng)的特點，提出了上位機、下位機+實物部件的形式組成半物理仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了模型計算、數(shù)據(jù)采集、上下位機數(shù)據(jù)通訊及系統(tǒng)參數(shù)控制等功能；趙涌等[9]提出在進氣壓力常規(guī)PID反饋控制的基礎(chǔ)上增加按空氣流量補償?shù)那梆伩刂疲瑯?gòu)成壓力復合控制系統(tǒng)；王述彥等[10]設(shè)計了模糊PID控制器并進行了仿真和試驗驗證，改善了控制效果；王季方等[11]、劉向杰等[12]、蔚東曉等[13]結(jié)合近年來模糊控制的最新研究成果，簡要介紹了模糊控制的概念和特點,并對模糊控制的原理作了說明，較詳細的介紹了模糊控制的現(xiàn)狀；馮曉露等[14]提出了一種新的基于遺傳算法的動態(tài)模糊控制器優(yōu)化方法，對模糊控制器控制規(guī)則表中的數(shù)據(jù)進行實時在線的動態(tài)優(yōu)化；傅強等[15]對航空發(fā)動機的雙變量解耦控制方法進行了研究，提出了一種基于遺傳算法的PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制算法，克服了BP算法易陷入局部權(quán)值的缺點；劉福才等[16]對模糊系統(tǒng)的通用逼近性、模糊系統(tǒng)作為通用逼近器的充分條件和必要條件以及模糊系統(tǒng)的逼近精度等方面的研究進行了較為詳盡的綜述；劉凱[17]介紹了某間冷燃氣輪機臺架試驗控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案，對燃氣輪機控制系統(tǒng)的組成、功能實現(xiàn)方案、控制邏輯以及燃氣輪機的安全保護、數(shù)據(jù)監(jiān)控等方面進行了較為詳細的闡述。

本文針對該試車臺的加溫加壓進氣系統(tǒng)，設(shè)計了基于西門子PLC平臺的控制系統(tǒng)。

1 加溫加壓進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

加溫加壓進氣系統(tǒng)的設(shè)計指標：進口壓力范圍為100～1000 kPa；進口流量≤200 kg/s；最大溫升≤350℃（流量≤100 kg/s）。該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 加溫加壓進氣系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

在氣源進氣后，通過第1級調(diào)壓系統(tǒng)粗調(diào)進氣壓力，并通過調(diào)節(jié)電加熱器的功率得到特定溫度、壓力和流量的壓縮空氣。與電加熱器流路并聯(lián)的管路平時關(guān)閉，當需要對壓縮空氣進行快速降溫時打開，利用摻混器將冷卻氣與熱氣混合。

隨后通過第2級調(diào)壓系統(tǒng)進一步粗調(diào)進氣壓力，為第3級調(diào)壓系統(tǒng)中的閥門提供適當?shù)膫鋲?。最后通過第3級調(diào)壓系統(tǒng)快速精確地調(diào)節(jié)供氣壓力，經(jīng)過穩(wěn)壓箱過濾壓縮空氣壓力和溫度的波動與畸變，最終保證發(fā)動機進口（即穩(wěn)壓箱出口）氣體的溫度、壓力、流量滿足需求。

在加溫加壓進氣系統(tǒng)中，設(shè)計指標的流量需求較大，因此管道通徑都很大。第1、2級調(diào)壓系統(tǒng)對壓力控制的精度要求不高，綜合考慮實際需求及設(shè)備成本，一般選用電動的套筒式調(diào)節(jié)閥和電動調(diào)節(jié)蝶閥。而第3級調(diào)壓系統(tǒng)是發(fā)動機進口前的最后1級壓力調(diào)節(jié)，需要快速準確地響應發(fā)動機的壓力需求，因此選用響應速度快、調(diào)節(jié)精度高、出口流場好的液壓軸流閥。

為了迅速發(fā)現(xiàn)各部件故障或故障征候，需要對進氣系統(tǒng)中可能發(fā)生故障的設(shè)備（電加熱器、摻混器、閥門和進氣管道、穩(wěn)壓箱）進行監(jiān)控，故在每個部件的進、出口都設(shè)有溫度、壓力變送器，以監(jiān)視每個部件的工作狀態(tài)，并根據(jù)不同的故障綜合進行傳感器的放置和排布。

溫度變送器選擇的類型是絕緣式K型鎧裝熱電偶。壓力變送器則選用常見的擴散硅式絕壓變送器，變送器的引壓管足夠長，便于將高溫壓縮空氣的溫度降低到變送器能允許的溫度；引壓管具有避免堆積在管內(nèi)的冷凝水結(jié)冰的功能。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

控制系統(tǒng)采用基于西門子WinCC平臺的上位機監(jiān)控系統(tǒng)進行人機交互操作，通過西門子PLC實現(xiàn)對進排氣系統(tǒng)各設(shè)備的控制，包括系統(tǒng)壓力、溫度、流量等參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制；當發(fā)生超溫、超壓等異常情況時報警，具有自保護功能。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

加溫加壓進氣系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)利用電加熱器實現(xiàn)，電加熱器為成套設(shè)備，控制系統(tǒng)由設(shè)備供應商進行集成，能夠?qū)崿F(xiàn)本地和遠程的溫度給定閉環(huán)控制、功率給定開環(huán)控制等功能。

對加溫加壓進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理進行分析可知，第1級調(diào)壓系統(tǒng)由于管徑較大，閥門動作較慢，且不需要進行壓力精確調(diào)節(jié)，因此在控制系統(tǒng)中不需要進行閉環(huán)控制。

第2級調(diào)壓系統(tǒng)主要負責為第3級調(diào)壓系統(tǒng)提供適當?shù)膫鋲?。為了保持?級調(diào)壓系統(tǒng)中的液壓軸流閥上游壓力穩(wěn)定，減少前級調(diào)壓系統(tǒng)的壓力波動干擾，提高發(fā)動機進氣壓力的控制精度，同時考慮到電動調(diào)節(jié)閥動作較慢的特點，本文設(shè)計了1個死區(qū)控制算法實現(xiàn)第2級調(diào)壓控制。在死區(qū)控制算法中，需要設(shè)置的參數(shù)為目標壓力值、死區(qū)壓力值范圍、閥位動作步進速度。死區(qū)控制算法流程如圖3所示。圖中P為實測壓力值，P0為目標壓力值，Pd為死區(qū)壓力值。

圖3 死區(qū)控制算法流程

第3級調(diào)壓系統(tǒng)需要快速精確地調(diào)節(jié)供氣壓力，且保持與發(fā)動機狀態(tài)隨動，采用同時調(diào)節(jié)軸流閥前壓力和穩(wěn)壓箱出口壓力的調(diào)節(jié)方案，即采取主路截流、旁路放氣的方法，對軸流閥進行壓力閉環(huán)控制，第2級調(diào)壓系統(tǒng)隨動調(diào)節(jié)。

在保持旁路前的主氣路上已調(diào)好溫度的空氣總質(zhì)量不變的情況下，使總供氣量不受發(fā)動機狀態(tài)改變的影響，保持發(fā)動機進口壓力穩(wěn)定，確保發(fā)動機在不同工作狀態(tài)下所需要的空氣流量。

整套加溫加壓進氣系統(tǒng)由許多具有非線性、大滯后等特性的設(shè)備組成，在溫度、壓力的調(diào)節(jié)與控制中相互干擾的影響因素很多，因此在第3級調(diào)壓系統(tǒng)中，使用傳統(tǒng)的PID控制器效果一般?，F(xiàn)有的控制系統(tǒng)采用的PID控制方式，是根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗摸索出若干套PID參數(shù)，針對發(fā)動機的不同狀態(tài)進行切換。這種方式有較大缺陷：一方面需要提前調(diào)試若干套PID控制參數(shù)，造成前期工作量過大以及能源的浪費；另一方面，調(diào)試得到的控制參數(shù)無法保證最優(yōu)。

另外，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，參數(shù)具有時變性，且各設(shè)備狀態(tài)之間耦合度較高，因此搭建系統(tǒng)仿真模型的難度很大，模型的精確度不高，這也造成了控制器設(shè)計與仿真驗證的難度加大。

針對系統(tǒng)的上述特點，本文為第3級調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計了一種模糊PID控制器，其優(yōu)點為：根據(jù)工程人員的經(jīng)驗設(shè)計控制器參數(shù)，不需要搭建系統(tǒng)的精確數(shù)學模型；控制器的參數(shù)能夠根據(jù)系統(tǒng)響應曲線的不同階段實時在線整定，能夠適應發(fā)動機試車過程中的不同狀態(tài)點；控制器參數(shù)可調(diào)且易調(diào)，經(jīng)過優(yōu)化可以適應后續(xù)其他型號發(fā)動機的不同試驗要求。

2.2 壓力模糊PID控制器設(shè)計與仿真

模糊PID控制器不需要借助精確的數(shù)學模型，而是利用模糊數(shù)學的基本理論和方法，把工程人員PID控制器參數(shù)設(shè)計的經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為模糊推理的模糊集合和模糊規(guī)則，利用代碼予以實現(xiàn)后，在控制過程中實時運行算法，在線整定PID控制器參數(shù)。模糊算法將系統(tǒng)的誤差e以及誤差變化率ec作為輸入，利用e和ec描述系統(tǒng)當前狀態(tài)，并實時計算出合適的控制參數(shù)Kp、Ki和Kd，輸出到PID控制器，從而實現(xiàn)參數(shù)在線整定。模糊PID控制器原理如圖4所示。根據(jù)以往控制器的設(shè)計和調(diào)試經(jīng)驗，利用MATLAB平臺下的模糊算法工具箱設(shè)計了1個模糊PI控制器。模糊PI控制器設(shè)計流程如圖5所示。

圖4 模糊PID控制器原理

圖5 模糊PI控制器設(shè)計流程

本文對模糊算法工具箱的算法邏輯進行了分析并調(diào)整了模糊算法的參數(shù)設(shè)置。

為了便于模糊算法的運行，應將加溫加壓進氣控制系統(tǒng)的進氣壓力誤差e以及誤差變化率ec線性變換至區(qū)間[-1，1]內(nèi)，其變換式為

e=

■■■■■

-e1/,15e,0e＞,

＜-550-05＜0

e＜50（1）

ec=

■■■■■

-e1c,1/e5,c

0

e＞,c＜-550-05＜0

ec＜50（2）

定義3個模糊集合N、Z和P，分別表示e和ec的取值趨向于定義域的下限值（Negative）、零（Zero）和上限值（Positive）。

根據(jù)e和ec在各模糊集合上的隸屬度，利用模糊規(guī)則進行模糊推理，將計算得到的模糊參數(shù)進行反模糊化處理，得到整定后的Kp和Ki值。模糊推理規(guī)則如下：

（1）If（eis N）and（ecis N）then（Kpis Z）（Kiis Z）；

（2）If（eis N）and（ecis Z）then（Kpis P）（Kiis Z）；

（3）If（eis N）and（ecis P）then（Kpis P）（Kiis Z）；

（4）If（eis Z）and（ecis N）then（Kpis Z）（Kiis P）；

（5）If（eis Z）and（ecis Z）then（Kpis Z）（Kiis P）；

（6）If（eis Z）and（ecis P）then（Kpis Z）（Kiis P）；

（7）If（eis P）and（ecis N）then（Kpis P）（Kiis Z）；

（8）If（eis P）and（ecis Z）then（Kpis P）（Kiis Z）；

（9）If（eis P）and（ecis P）then（Kpis P）（Kiis Z）。

每條模糊規(guī)則都使用e和ec在各模糊集合上的隸屬度值確定Kp和Ki在各模糊集合的隸屬度。

例如第（3）條模糊規(guī)則，Kp在模糊集合P和Ki在模糊集合Z的隸屬度為

式中：Kp，p3為第（3）條模糊規(guī)則下Kp在模糊集合P上的隸屬度；Ki，z3為第（3）條模糊規(guī)則下Ki在模糊集合Z上的隸屬度；eN為e在模糊集合N上的隸屬度；ec，p為ec在模糊集合P上的隸屬度。

根據(jù)上述9條模糊規(guī)則，可以求出Kp和Ki在不同模糊集合上的9個隸屬度值。取其中的最大值為Kp和Ki在對應模糊集合的最終隸屬度值

根據(jù)Kp和Ki在各模糊集合的隸屬度值，通過反模糊化處理得到最終的Kp和Ki值?；谧罱K將該控制器工程化的考慮，在PLC編程中，計算函數(shù)的積分較為困難，因此在反模糊化過程中，利用Kp和Ki的隸屬度值求其實際值時，不使用常用的中位數(shù)法，而是用最大隸屬度法實現(xiàn)。反模糊化計算為

利用M語言將上述分析結(jié)果進行代碼復現(xiàn)，并進行仿真驗證，得到的結(jié)果與模糊算法工具箱的運算結(jié)果相同，模糊PID控制器仿真曲線如圖6所示。仿真結(jié)果表明，模糊PID控制器能夠有效減小系統(tǒng)響應的超調(diào)，加快系統(tǒng)響應速度，Kp和Ki的優(yōu)化過程符合模糊規(guī)則的邏輯。

圖6 模糊PID控制器仿真曲線

2.3 壓力模糊PID控制器移植與優(yōu)化

西門子PLC平臺有順序功能流程圖（Sequential Function Chart，SFC）、梯形圖語言（Ladder Logic Programming Language，下文簡稱LAD）、功能塊圖（Function Block Diagram，F(xiàn)BD）、結(jié)構(gòu)化控制語言（Structured Control Language，SCL）等多種編程語言。其中LAD語言直觀易懂，適用于數(shù)字量邏輯控制，在工程實際中應用廣泛；SCL語言是一種類似于計算機高級語言的編程方式，適用于復雜運算功能、復雜數(shù)學函數(shù)、數(shù)據(jù)管理、過程優(yōu)化等應用領(lǐng)域。

基于LAD語言進行模糊PID控制器的代碼移植，控制程序包含的程序塊及用途如下：

（1）“FC1000_模糊PID控制器”（功能塊）為控制器主程序，包含與PLC主程序的數(shù)據(jù)IO接口，能夠?qū)崿F(xiàn)模糊PID控制器的主要功能；

（2）“FC1001_TRIMF函數(shù)”（功能塊）為一種分段線性函數(shù)，用于計算變量在模糊集合上的隸屬度；

（3）“FC1002_TRIMF逆函數(shù)”（功能塊）為FC1001中TRIMF函數(shù)的逆函數(shù)，用于根據(jù)變量的隸屬度反模糊化求變量值；

（4）“FC1003_取平均數(shù)”（功能塊）能夠計算2個浮點數(shù)的平均值；

（5）“DB1000_模糊PID控制器參數(shù)”（數(shù)據(jù)塊）用于存儲模糊PID控制器的參數(shù)。

LAD語言是一種圖形化的編程語言，其優(yōu)點是直觀易懂，缺點是基本指令類型較少，實現(xiàn)復雜功能時程序結(jié)構(gòu)較為繁瑣；而SCL語言是一類高級編程語言，在實現(xiàn)算法方面較LAD語言有明顯優(yōu)勢。

利用SCL語言將模糊PID控制器進行代碼優(yōu)化，實現(xiàn)與LAD程序相同的功能，2種語言程序塊代碼量對比見表1。

從表中可見，SCL語言實現(xiàn)復雜算法具有編程簡單、代碼量較少、能夠減小CPU運算負荷等優(yōu)點。

2.4 小結(jié)

設(shè)計后的壓力控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)的控制回路分別如圖7、8所示。

圖7 壓力控制系統(tǒng)的控制回路

壓力控制系統(tǒng)充分考慮了硬件條件限制，通過手動控制、死區(qū)控制、模糊PID控制等多種方式實現(xiàn)了發(fā)動機進口壓力控制。溫度控制系統(tǒng)為廠家集成設(shè)備，主要的設(shè)計工作在于上位機人機交互系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊接口、控制界面設(shè)計、多系統(tǒng)聯(lián)動的協(xié)調(diào)機制等方面。

圖8 溫度控制系統(tǒng)的控制回路

3 發(fā)動機試車驗證

本文所設(shè)計的加溫加壓進氣控制系統(tǒng)已經(jīng)在實際試車工作中得到應用。在某次加溫加壓試車中，發(fā)動機相對轉(zhuǎn)速以及壓力、溫度控制曲線如圖9所示，圖中黑色虛線為控制目標。

圖9 發(fā)動機相對轉(zhuǎn)速以及壓力、溫度控制曲線

氣源來氣溫度約為70℃，流量約為60 kg/s。試車流程的20～30 min為數(shù)據(jù)采集階段，發(fā)動機對進氣系統(tǒng)的要求為：進氣壓力為245～255 kPa；進氣溫度為140～150℃；進氣流量約為50～55 kg/s。

發(fā)動機的其他狀態(tài)為過渡階段，用于發(fā)動機和設(shè)備的狀態(tài)調(diào)整與協(xié)調(diào)匹配。

在此期間，發(fā)動機轉(zhuǎn)速一直在變化，加溫加壓進氣控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機的要求進行實時閉環(huán)控制。試車數(shù)據(jù)分析結(jié)果為：

進氣壓力目標為135～140 kPa時，將控制目標設(shè)定為137 kPa，過渡態(tài)由100 kPa調(diào)整至137 kPa共用時約100 s，無超調(diào)，穩(wěn)態(tài)控制精度為0.04～0.81 kPa；進氣壓力目標為245～255 kPa時，將控制目標設(shè)定為250 kPa，過渡態(tài)由137 kPa調(diào)整至250 kPa共用時約200 s，無超調(diào)，穩(wěn)態(tài)控制精度為-3.09～3.07 kPa。

進氣溫度目標為140～150℃，開始加溫時，發(fā)動機處于狀態(tài)調(diào)整階段，溫升率不能過快，因此分階段進行溫度調(diào)節(jié)。最終將控制目標設(shè)定為145℃，過渡態(tài)由100℃（氣源站來氣溫度）調(diào)整至145℃共用時約10 min，超調(diào)2.15℃，穩(wěn)態(tài)控制精度為-2.53～1.10℃。

在試車結(jié)束后的發(fā)動機狀態(tài)下降階段，需要先降低發(fā)動機的進氣溫度，后降低進氣壓力。在實際操作中，直接將目標溫度設(shè)為0℃，進氣壓力隨進氣溫度的降低分階段調(diào)整。

由試車數(shù)據(jù)可知，加溫加壓進氣控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r跟隨發(fā)動機的狀態(tài)變化，維持進氣壓力和溫度的穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

本文所述的航空發(fā)動機地面試車臺加溫加壓進氣控制系統(tǒng)能夠完全滿足發(fā)動機地面試車對進氣壓力、溫度、流量的要求。

針對多級調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計了1個模糊PID控制器，分別利用MATLAB仿真平臺和實際試驗試車對其控制效果進行了驗證。仿真結(jié)果和試驗試車數(shù)據(jù)都表明，模糊PID控制器的控制效果更優(yōu)。

模糊PID控制器在設(shè)計過程中不依賴于系統(tǒng)的精確模型。而在航空發(fā)動機設(shè)備設(shè)計領(lǐng)域中，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)往往比較復雜，參數(shù)具有時變性和不確定性，系統(tǒng)建模較為困難。因此，在未來的航空發(fā)動機設(shè)備設(shè)計中，模糊PID控制器應當加以推廣和應用。