鄭 瑤

(中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065)

1 溫度控制系統(tǒng)組成

發(fā)動機外涵機匣試驗溫度控制系統(tǒng)由外涵機匣、電加熱管加熱器、溫度傳感器、控制器、調功設備等組成，如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)組成示意圖

電加熱管加熱器結構如圖2所示，由電阻發(fā)熱絲、耐高溫合金、絕緣粉末、導線電極、絕緣端子等組成。由于作為加熱器主要元件的電阻絲的熱慣性較大，加熱管加熱器的控制響應速度較慢。

圖2 電加熱管結構示意圖

當加熱器通電時，電阻發(fā)熱絲發(fā)熱，熱量經過絕緣粉末和耐高溫合金向外傳導，從而實現(xiàn)對試驗件的加熱。外涵機匣熱強度試驗的傳熱方式如圖3所示，加熱器處于機匣的內部空間內，通過對流和輻射對機匣內壁進行加熱，機匣內外表面的熱量交換則是通過傳導來實現(xiàn)。

圖3 機匣傳熱過程示意圖

由電加熱管加熱器的組成結構和加熱原理可知，其整個溫度控制過程響應較慢，滯后嚴重，采用傳統(tǒng)的PID控制方式容易導致超溫，從而對試驗件造成損傷。因此，需要研究一種能夠有效解決加熱器響應滯后帶來的溫度超調問題的控制方法。

2 溫度控制方法

作為外涵機匣溫度控制系統(tǒng)的主要組成部分，加熱管加熱器具有響應速度慢的特點。根據(jù)自動控制理論可知，整個溫度控制系統(tǒng)是一個大滯后系統(tǒng)，在進行溫度控制時，很容易發(fā)生溫度超調現(xiàn)象。為了解決溫度控制中存在的超調問題，針對該滯后控制系統(tǒng)引入了模糊控制的概念。

2.1 控制原理

為了解決該滯后系統(tǒng)的控制問題，本文設計了一種基于傳統(tǒng)PID控制同時結合模糊控制思想的溫度控制方法，有效地解決了加熱控制中的溫度超調問題，其控制方法流程如圖4所示。

圖4 控制方法流程示意圖

本文設計的控制方法以PID控制為基礎，即針對控制系統(tǒng)的誤差，通過比例、積分、微分運算，得到控制輸出值，并利用該值對功率調節(jié)設備進行控制，從而達到對試件加熱的目的。常規(guī)PID控制的控制規(guī)律為：

(1)

式(1)中，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。在工業(yè)控制中，一般需要對PID控制規(guī)律進行離散化處理，得到：

(2)

為了解決溫度超調問題，可以在溫度控制的不同階段使用不同的PID參數(shù)，即在PID賦值時采用遞增或遞減的多組參數(shù)來替換一組參數(shù)，將一次變化分解為多步變化，從而減輕超調對系統(tǒng)的影響。

在PID控制的基礎上增加模糊限伏控制環(huán)節(jié)可以有效對系統(tǒng)的最大輸出值進行限制，從而避免過沖現(xiàn)象。所謂模糊控制，是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的計算機智能控制，根據(jù)專家的經驗和實際被控對象的特點，建立合理的模糊控制邏輯，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。在該控制系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)特征和控制特點建立模糊邏輯規(guī)則，對控制輸出值進行一定的限制，從而間接降低PID控制的響應速度，達到與滯后控制系統(tǒng)的同步，實現(xiàn)對其控制。利用模糊控制對輸出值進行限伏，能夠有效避免在試驗初始階段控制誤差較大時，滯后系統(tǒng)的溫度響應過慢導致控制輸出過大造成的超調現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 控制方法實現(xiàn)

分段PID參數(shù)可以通過軟件編程實現(xiàn)，即根據(jù)當前的誤差判斷應該使用哪一組控制參數(shù)，其流程如圖5所示。

圖5 分段PID參數(shù)選擇流程示意圖

多組PID參數(shù)可通過前期調試獲得，也可用經驗參數(shù)代替，根據(jù)不同的控制溫升要求選擇不同的控制參數(shù)。

模糊限伏控制即在不同的階段使用不同的控制輸出限伏，防止輸出滿度造成超調量過大。其限伏值可根據(jù)經驗或調試獲得，并由該系列值組成專家?guī)?，模糊限伏值如圖6中標注的部分所示。本文將整個溫升過程分成8個部分，在每個階段使用不同的限伏值來限制調功裝置的輸出，防止輸出值過大帶來的超調現(xiàn)象發(fā)生。

圖6 控制程序中的模糊限伏值

2.3 控制效果

在某型外涵機匣熱強度試驗中，要求整個機匣的溫度達到285℃。使用常規(guī)PID控制方式對機匣進行溫度控制，其控制效果如圖7中的虛線所示，雖然溫度響應較快，但是無論在升溫階段還是在保溫階段，溫度超調都比較明顯。使用優(yōu)化PID控制方法后，雖然響應速度較慢，但整個升溫過程相對平穩(wěn)，保溫過程也沒有發(fā)生超調，控制精度較常規(guī)PID有較大提升。

圖7 優(yōu)化PID控制效果

3 結 論

發(fā)動機外涵機匣熱強度試驗系統(tǒng)具有滯后系統(tǒng)的典型特征，本文針對控制系統(tǒng)的特性設計了經過優(yōu)化的PID控制方法，該方法在原有PID控制的基礎上增加了分段PID參數(shù)賦值、模糊限伏控制等環(huán)節(jié)，將調節(jié)量分解為若干步驟完成。將該方法應用在某試驗中，有效地解決了溫度超調問題，提高了試驗的安全系數(shù)和控制精度，得到了很好的控制效果。該控制方法的提出，為今后滯后系統(tǒng)的控制提供了一種解決思路，具有一定的應用價值。