董滿收，劉志友，李心田，唐發(fā)朝

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽621000)

1 引言

高空模擬試車臺(簡稱高空臺)氣源系統(tǒng)中，抽氣總管壓力控制系統(tǒng)(簡稱抽氣系統(tǒng))擔(dān)負(fù)著非常重要的責(zé)任。一是為發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境壓力建立背壓，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)高度的模擬；二是其為控制抽氣機(jī)組工作壓比的關(guān)鍵系統(tǒng)。我國某高空臺抽氣系統(tǒng)使用的模擬控制器為20世紀(jì)90年代初設(shè)計(jì)的，目前系統(tǒng)存在調(diào)節(jié)時(shí)間長、控制精度低、抗干擾能力差等問題，在一定程度上制約了高空臺試驗(yàn)包線的擴(kuò)展，對抽氣機(jī)組的正常工作產(chǎn)生潛在的威脅。為此，擬通過數(shù)字化改造以降低系統(tǒng)慣性，提高響應(yīng)速度?？刂葡到y(tǒng)的慣性取決于壓力容腔體積、閥門公稱直徑、液壓缸動(dòng)作頻率以及控制器響應(yīng)速度等因素。由于抽氣總管的壓力容腔(約2000 m3)遠(yuǎn)大于該高空臺其他壓力控制系統(tǒng)的，故而對于相同公稱直徑的調(diào)節(jié)閥，整個(gè)系統(tǒng)的慣性也相應(yīng)要大很多。因此實(shí)現(xiàn)相近的動(dòng)態(tài)控制指標(biāo)，就必須要求調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作頻率大幅提高。所以在管道容腔、閥門及液壓缸已確定情況下，提高系統(tǒng)的響應(yīng)頻率就是要提高電液伺服閥的動(dòng)作速度。除常規(guī)的PID參數(shù)修改外，本文提出了高精度位置隨動(dòng)控制和基于壓力變化率的前饋控制兩種重要算法，并通過這兩種算法分別提高壓力控制環(huán)和閥位控制環(huán)的響應(yīng)頻率，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)性能的提升。

2 模/數(shù)冷備冗余控制系統(tǒng)

原控制系統(tǒng)以模擬控制器為核心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中壓力閉環(huán)的控制；通過電液伺服閥自身的差動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)閥位閉環(huán)的控制。為安全起見，本次數(shù)字化改造保留了該套控制器，并在此基礎(chǔ)上增加了數(shù)字控制器(PLC)互相作為冷備冗余，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制與模擬控制的無擾動(dòng)切換。數(shù)字控制的功能有：壓力均值濾波與限幅控制，設(shè)定量斜坡輸入，系統(tǒng)手/自動(dòng)切換，壓力閉環(huán)控制，基于壓力變化率的前饋控制，高精度位置隨動(dòng)控制，關(guān)鍵參數(shù)故障報(bào)警，以及PID快捷設(shè)置等。

圖1為改造前模擬控制系統(tǒng)的原理框圖，可見影響閥門動(dòng)作速度的因素主要有閥位閉環(huán)中電液伺服閥響應(yīng)速度和壓力閉環(huán)中控制量調(diào)節(jié)速度。為此，分別在PLC中設(shè)計(jì)位置隨動(dòng)控制和前饋控制功能，以分別提高閥位閉環(huán)和壓力閉環(huán)的響應(yīng)頻率。

3 高精度位置隨動(dòng)控制

電液伺服閥的響應(yīng)速度，除了受供油壓力等因素影響外，還取決于伺服閥的控制方式。受模擬控制器只能輸出4～20 mA電流的限制，伺服閥的控制方式只能是雙線圈差動(dòng)控制(圖2)?？刂破鬏敵鲭娏餍盘栔辆€圈1、2引腳，閥位傳感器輸出反饋電流至線圈3、4引腳。通過兩個(gè)線圈上電流產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度不同實(shí)現(xiàn)輸出液壓油大小和方向的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閥位調(diào)節(jié)[1-2]。這種硬件實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)控制存在的最大問題是，閥位閉環(huán)中比例系數(shù)不可調(diào)始終為1。在擾動(dòng)量較大的工況中，伺服閥的響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上調(diào)節(jié)要求。為此，在PLC中增加位置隨動(dòng)控制的功能，就是在硬件條件不變的情況下改變閥位閉環(huán)中的比例系數(shù)，使伺服閥的響應(yīng)速度可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

3.1 理論依據(jù)

設(shè)K為比例系數(shù)，U為壓力閉環(huán)的輸出控制量，F(xiàn)為閥門開度量。通常，閥位閉環(huán)的控制函數(shù)為(U-F)。在該數(shù)字控制系統(tǒng)中，在控制量U上疊加一個(gè)大小為K(U-F)的量，則電液伺服閥控制函數(shù)為(1+K)(U-F)。由此可知，控制系統(tǒng)閥位閉環(huán)的比例系數(shù)由固定的1變?yōu)?+K。因此，通過更改內(nèi)環(huán)比例系數(shù)K，即可加快閥門的動(dòng)作速度?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)該算法調(diào)整后如圖3所示。

3.2 靜態(tài)調(diào)試

系統(tǒng)處于壓力開環(huán)、閥位閉環(huán)的條件下，順序測試了未采用該算法和采用該算法后閥位跟蹤控制量的情況。從圖4中可看出，在閥門從50.0°關(guān)至30.0°的過程中，未采用該算法時(shí)(即K值為0)閥門需35.0 s才能到達(dá)設(shè)定閥位，而采用該算法后(K值為8.0)閥門僅需4.0 s左右即可達(dá)到設(shè)定閥位。因此該算法可以顯著提高閥位跟蹤控制量的速度，有效減小系統(tǒng)慣性。

3.3 動(dòng)態(tài)調(diào)試

分別在三臺抽氣機(jī)組和五臺抽氣機(jī)組工作的條件下，測試了抽氣總管壓力穩(wěn)態(tài)控制精度和調(diào)節(jié)時(shí)間，并與未采用該算法的工況進(jìn)行了對比。

(1)三臺抽氣機(jī)組

表1為分別在使用模擬控制器、采用與未采用高精度位置隨動(dòng)控制算法條件下進(jìn)行的控制性能參數(shù)測試結(jié)果。其中，模擬控制的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間因在該工況下抽氣總管壓力自身無法穩(wěn)定而未測試；數(shù)字控制的超調(diào)量值是在設(shè)定值從30.0 kPa變化至35.0 kPa的過程中獲取的，調(diào)節(jié)時(shí)間是從設(shè)定值開始變化至被控壓力第一次到達(dá)設(shè)定值之間的時(shí)間?？煽闯觯褂酶呔任恢秒S動(dòng)控制算法最明顯的變化是穩(wěn)態(tài)誤差變小，調(diào)節(jié)時(shí)間有一定改善。為防止系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，最初設(shè)定的PID參數(shù)明顯偏小，因此通過調(diào)整PID參數(shù)還可在一定程度上縮小調(diào)節(jié)時(shí)間。

表1 三臺抽氣機(jī)組條件下的對比效果Table 1 Performance comparison on the condition of three air exhausters

(2)五臺抽氣機(jī)組

分別在采用與未采用高精度位置隨動(dòng)控制算法條件下，對抽氣總管壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行了測試，結(jié)果見表2。可看出，使用該項(xiàng)功能最明顯的變化是穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量均大幅減小，調(diào)節(jié)時(shí)間也有一定改善。從實(shí)際的壓力控制曲線上看，使用高精度位置隨動(dòng)控制功能后抽氣總管壓力僅經(jīng)過1～2個(gè)波形的振蕩即可穩(wěn)定，不用該項(xiàng)功能則總管壓力平均需經(jīng)過3～5個(gè)波形的振蕩才能穩(wěn)定。

綜合來說，使用高精度位置隨動(dòng)控制功能后，在兩種主要工況中控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能均有明顯提升，表明使用這種算法可以明顯提高電液伺服閥的響應(yīng)頻率。

表2 五臺抽氣機(jī)組條件下的對比效果Table 2 Performance comparison on the condition of five air exhausters

4 基于壓力變化率的前饋控制

提高壓力閉環(huán)運(yùn)算速度除常規(guī)的適當(dāng)提高PID參數(shù)外，還可依據(jù)系統(tǒng)中干擾量的大小設(shè)計(jì)前饋控制[3-5]。通常前饋量與干擾量一一對應(yīng)，但在該系統(tǒng)中作為干擾源的發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饬髁坎豢芍?，故無法直接根據(jù)干擾量計(jì)算前饋值。對被控系統(tǒng)進(jìn)行理論分析發(fā)現(xiàn)，可根據(jù)壓力變化率間接計(jì)算出干擾量，并直接疊加在閉環(huán)控制量上輸出?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

4.1 理論依據(jù)

該項(xiàng)功能的主要目的是在大流量干擾情況下提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。設(shè)v為一抽總管容腔體積，m為容腔內(nèi)氣體質(zhì)量，m′為容腔內(nèi)變化的流量，p為容腔空氣壓力，p′為壓力變化率(通過數(shù)字控制器采集周期及差值計(jì)算)，Tm為容腔氣體溫度(在壓力變化過程中可視為定量)，w為補(bǔ)氣閥的空氣流量，c為補(bǔ)氣閥總流量系數(shù)(指流量與閥位的關(guān)系系數(shù)，因閥前溫度、壓力均恒為大氣條件，閥門始終工作在超臨界狀態(tài)，故該系數(shù)可視為定值)，S為補(bǔ)氣閥流通面積，ΔS為調(diào)節(jié)閥應(yīng)該變化的流通面積，則：

上式的含義是為抑制當(dāng)前管道內(nèi)壓力變化，調(diào)節(jié)閥應(yīng)該變化的流通面積可線性轉(zhuǎn)換為閥門控制量增量；公式中的負(fù)號表明壓力變化方向與閥門開關(guān)方向相反。

4.2 靜態(tài)調(diào)試

首先在半物理仿真系統(tǒng)中比較前饋投入和未投入的控制效果。如圖6所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)50 kg/s流量變化的工況下，前饋投入時(shí)抽氣總管壓力超調(diào)量為5.0 kPa，前饋未投入時(shí)抽氣總管壓力超調(diào)量達(dá)到8.0 kPa，超調(diào)幅度明顯偏高。

4.3 動(dòng)態(tài)調(diào)試

在五臺抽氣機(jī)組工作條件下，通過發(fā)動(dòng)機(jī)的流量瞬變對抽氣總管進(jìn)行壓力干擾，測試前饋投入與未投入對壓力波動(dòng)的抑制程度，結(jié)果如表3、圖7所示。前饋投入后，在發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)下拉時(shí)，抽氣總管壓力從35.0 kPa下降至28.4 kPa，調(diào)節(jié)閥門開度最大開至52.8°；前饋未投入時(shí)，抽氣總管壓力下降至27.2 kPa，調(diào)節(jié)閥門開度最大僅開至47.4°?？梢?，由于前饋?zhàn)饔迷龃罅苏{(diào)節(jié)閥門的補(bǔ)氣力度，從而使得抽氣總管壓力下跌程度出現(xiàn)一定改善。在調(diào)試階段，從設(shè)備安全角度考慮，對前饋所產(chǎn)生的最大量強(qiáng)行限制在一個(gè)較小的值，因此前饋本身沒有能在最大程度上抵消發(fā)動(dòng)機(jī)流量的變化。在使用后期，可適當(dāng)放開前饋調(diào)節(jié)程度。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)推力瞬變條件下抽氣總管壓力波動(dòng)范圍Table 3 Fluctuation of exhaust pressure in thrust transient state experiment

5 結(jié)束語

經(jīng)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)后，在發(fā)動(dòng)機(jī)流量變化不劇烈的情況下，抽氣總管壓力控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度可達(dá)到0.3%；在大流量發(fā)動(dòng)機(jī)加減速或推力瞬變等工況中，抽氣總管壓力波動(dòng)量不大于±8.0 kPa，且經(jīng)過1～2個(gè)振蕩周期后趨于穩(wěn)定。對系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，控制系統(tǒng)可保證抽氣機(jī)組的工作壓比始終在允許范圍內(nèi)，其總體控制性能明顯優(yōu)于原有的模擬控制系統(tǒng)，完全滿足穩(wěn)態(tài)控制精度不大于1.0%、動(dòng)態(tài)波動(dòng)量小于±10.0 kPa的使用要求。