燃燒加熱器氣動(dòng)閥門閥后壓力的模糊控制

祝汝松 ,湯更生,陳志強(qiáng) ,張俊生

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心,四川綿陽 621000)

0 引 言

在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研究的主要地面試驗(yàn)設(shè)備中,燃燒加熱器是其中的主要組成部分。燃燒加熱器通過對氫氣、氧氣和空氣的壓力、流量控制和恰當(dāng)?shù)臅r(shí)序和點(diǎn)火控制來產(chǎn)生適合于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研究的溫度和壓力,模擬超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行試驗(yàn)環(huán)境,進(jìn)行超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)基本燃燒規(guī)律和相關(guān)技術(shù)研究。對燃燒加熱器中氫氣、氧氣和空氣的流量和壓力的良好控制,是燃燒加熱器控制的關(guān)鍵之一。

1 燃燒加熱器簡介

燃燒加熱器的主要試驗(yàn)氣體包括氫氣、氧氣、空氣和氮?dú)?。燃燒加熱器的進(jìn)氣管道及閥門系統(tǒng)配置如圖1。

燃燒加熱器的3種主要試驗(yàn)氣體的供氣管路都包括有球閥、調(diào)壓閥、流量閥、文氏噴嘴、單向閥和安全閥等,其中氧氣和氫氣管路在流量閥后還包括快速閥。氮?dú)庥脕碓谠囼?yàn)前后對氧氣和氫氣管路進(jìn)行清洗。在三種主要試驗(yàn)氣體供氣管路上的主要閥門后安裝有防爆壓力傳感器,用來進(jìn)行壓力的監(jiān)測和反饋控制;在文氏噴嘴后安裝有溫度傳感器。出于試驗(yàn)和設(shè)備安全的考慮,三種主要試驗(yàn)氣體供氣管路的調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器采用美國FISHER公司的氣動(dòng)閥門定位器DVC5000,它使用一定壓力的氣體來驅(qū)動(dòng)閥門的運(yùn)動(dòng)。

燃燒加熱器供氣管路需要調(diào)節(jié)控制的參數(shù)包括各個(gè)試驗(yàn)氣體的壓力、流量,其中壓力為直接控制參數(shù)。

圖1 燃燒加熱器的進(jìn)氣管道及閥門系統(tǒng)配置示意圖Fig.1 The configuration of the valves and pipes of the combustion heater

2 控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成

由于試驗(yàn)設(shè)備所使用的試驗(yàn)氣體包括氫氣、氧氣等易燃、易爆氣體,控制系統(tǒng)需要具有較高的可靠性?？刂葡到y(tǒng)以一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心,采用PLC安全連鎖來兼顧系統(tǒng)的可靠性要求。該控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖2所示。對于供氣管路中的6個(gè)調(diào)節(jié)閥的氣動(dòng)定位器,計(jì)算機(jī)通過模擬量輸出板輸出對應(yīng)于閥門開度大小的4～20mA模擬信號,由閥門定位器將閥門控制到相應(yīng)的指定位置。

燃燒加熱器控制系統(tǒng)主要完成以下主要功能：實(shí)現(xiàn)供氣管路中所有電控制閥(包括球閥、快速閥、調(diào)節(jié)閥)的計(jì)算機(jī)控制;對供氣管路中各個(gè)壓力測量點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測;對各試驗(yàn)氣體文氏嘴前壓力的閉環(huán)控制;對供氣管路各個(gè)閥門的時(shí)序控制;系統(tǒng)故障和緊急停車時(shí)的安全聯(lián)鎖等。

3 氣動(dòng)閥門閥后壓力控制方法的選擇和實(shí)現(xiàn)

3.1 壓力控制基本原理

圖2 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)Fig.2 The makeup of the control system

壓力控制的基本原理如圖3所示。圖中的壓力控制器由計(jì)算機(jī)中的控制算法實(shí)現(xiàn);位置控制內(nèi)環(huán)由Fisher的DVC5000氣動(dòng)定位器來實(shí)現(xiàn)。其中閥門的位移檢測是在DVC5000氣動(dòng)定位器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)的控制器用來實(shí)現(xiàn)壓力閉環(huán)控制。

圖3 壓力控制的基本原理Fig.3 The principle of the pressure control

每種氣源管路包括兩個(gè)Fisher的氣動(dòng)閥門。在進(jìn)行壓力控制時(shí),靠近氣源的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行壓力的粗調(diào),減弱氣源壓力下降過快對后面的調(diào)節(jié)閥壓力控制的影響。較為精確的壓力控制由靠近文氏噴嘴前的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行。

3.2 PID控制存在的問題及影響因素

在系統(tǒng)試驗(yàn)初期,壓力控制器采用了一種常規(guī)PID控制器和改進(jìn)型PID控制器對壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖4給出了采用PID調(diào)節(jié)的一個(gè)典型的控制效果。

采用常規(guī)PID調(diào)節(jié)進(jìn)行壓力控制的問題主要表現(xiàn)在：控制參數(shù)難以整定,壓力控制的超調(diào)量較大,穩(wěn)態(tài)控制的效果不好,同時(shí)由于試驗(yàn)氣體氣源壓力和控制壓力設(shè)定值的不同,控制效果差異較大。這不僅浪費(fèi)試驗(yàn)氣體資源,而且還有安全隱患。

通過多次試驗(yàn)和分析,主要有以下因素影響PID控制器的控制效果。

(1)閥門動(dòng)作帶有一定的非線性。(2)在試驗(yàn)過程中,氣源壓力下降較快,供氣管路壓力控制特性變化較大。(3)常規(guī)PID控制器對被控制系統(tǒng)的非線性和外部擾動(dòng)的適應(yīng)能力較弱。

圖4 一般PID控制器控制效果Fig.4 The control result using convential PID controller

圖5給出了Fisher氣動(dòng)閥門定位器的工作原理。由于氣動(dòng)閥門采用具有可壓縮性的氣體作為動(dòng)力源,以及閥芯與閥體之間的摩擦等因素,造成閥門的運(yùn)動(dòng)過程具有一定的非線性,在試驗(yàn)過程中氣源壓力下降較快的情況下,給比較精確的壓力控制造成了困難。

圖5 DVC5000系列閥門控制器原理和運(yùn)動(dòng)過程示意圖Fig.5 The control principle and moving process of DV5000 series valve

3.3 自適應(yīng)Fuzzy-PI控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

根據(jù)使用PID控制器的試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合對系統(tǒng)控制特性的認(rèn)識,設(shè)計(jì)了具有自適應(yīng)調(diào)整功能的模糊PI(Fuzzy-PI)控制器。其控制原理如圖6所示。

這種自適應(yīng)Fuzzy-PI控制器是在常規(guī)的比例積分(PI)控制器的基礎(chǔ)上(圖中Kp和Ki部分),根據(jù)壓力控制過程中的不同階段,通過一套模糊推理規(guī)則對PI控制器的比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)Ki進(jìn)行在線調(diào)整。

采用模糊推理有助于將對系統(tǒng)控制特點(diǎn)的認(rèn)識結(jié)合在控制器的設(shè)計(jì)中。在線參數(shù)調(diào)整模糊推理規(guī)則的設(shè)計(jì)(圖6的虛線部分所示)包括輸入變量的模糊化、模糊推理、參數(shù)調(diào)整模糊量的清晰化幾個(gè)部分。模糊控制器的輸入變量選為壓力的偏差e和偏差的變化ec,后者為本次的壓力偏差ei和上一次的壓力偏差ei-1的差值。

圖6 自適應(yīng)Fuzzy-PI控制器原理框圖Fig.6 The principle of the adaptive Fuzzy-PI controller

對Kp和Ki參數(shù)的調(diào)整,采用模糊推理輸出的參數(shù)修正量進(jìn)行調(diào)整,即：

Kp(n)=Kp(n-1)+Anp或Ki(n)=Ki(n-1)+Ani

其中Kp(n-1)和Ki(n-1)為上一時(shí)刻的Kp、Ki參數(shù),An為模糊推理輸出的Kp和Ki參數(shù)的修正量。

各模糊語言值的成員函數(shù)均采用高斯正態(tài)分布函數(shù)的形式。在偏差e較小時(shí)的模糊語言值隸屬函數(shù)的幅寬較小,用于提高控制器在穩(wěn)態(tài)時(shí)隸屬函數(shù)的分辨率和控制輸出的靈敏度。在偏差較大的區(qū)域采用正常幅寬的隸屬度函數(shù)。偏差的變化ec和修正量A的模糊語言值隸屬度函數(shù)均采用均勻正態(tài)分布函數(shù)的形式。

Kp、Ki參數(shù)在一定時(shí)間內(nèi)的變化與控制循環(huán)執(zhí)行次數(shù)有一定的關(guān)系?？刂茀?shù)在短時(shí)間內(nèi)不能有太大的變化,否則易造成控制作用的突變。實(shí)際設(shè)計(jì)中,對Ki和Kp參數(shù)的變化有范圍的限制。

P參數(shù)調(diào)整的主要原則是：避免震蕩,在偏差較大且偏差變化率較小時(shí),宜增大P參數(shù);在偏差較小且偏差變化率也較小時(shí),宜緩慢增大P參數(shù)。I參數(shù)的調(diào)整原則是：在偏差較大且偏差的變化方向和幅度合適時(shí),宜保持不變和較小的值;在偏差較小且偏差的變化方向正確和幅度較小時(shí),宜緩慢增大I參數(shù),有助于減小穩(wěn)態(tài)控制誤差。

根據(jù)以上原則設(shè)計(jì)了模糊推理規(guī)則。模糊推理采用Mamdani的Max-Min推理法。實(shí)際使用時(shí),在Max-Min推理法的基礎(chǔ)上作了一些改進(jìn)。例如在進(jìn)行模糊邏輯與運(yùn)算時(shí),用乘積代替了取小運(yùn)算;在進(jìn)行模糊邏輯或運(yùn)算時(shí),用求和法代替了取大運(yùn)算;這些主要是減弱在用Max-Min推理時(shí)模糊推理輸出較強(qiáng)的非線性。模糊推理結(jié)果的清晰化采用了較常用的重心法。圖7給出了各個(gè)模糊語言值形狀和參數(shù)修改規(guī)則的模糊推理結(jié)果。

圖7 模糊量語言值成員函數(shù)和模糊推理結(jié)果Fig.7 The membership function of fuzzy variables and fuzzy inference results

3.4 自適應(yīng)Fuzzy-PI控制器的軟件實(shí)現(xiàn)

在控制器的軟件設(shè)計(jì)中,將控制器參數(shù)修改的模糊推理離線進(jìn)行,然后將推理結(jié)果放在矩陣表格中,控制程序運(yùn)行時(shí),通過查表獲得模糊推理結(jié)果。

對控制器中的模糊推理的工作是在工程計(jì)算軟件Matlab中進(jìn)行的,并且將每個(gè)參數(shù)修改規(guī)則的模糊推理結(jié)果都形成一個(gè)矩陣存儲(chǔ)在二維數(shù)組中。然后,根據(jù)Fuzzy-PI控制器的結(jié)構(gòu),并且利用模糊推理的結(jié)果,設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)了這個(gè)自適應(yīng)Fuzzy-PI控制器結(jié)構(gòu)的C語言函數(shù)。

3.5 自適應(yīng)Fuzzy-PI控制的壓力控制效果

采用前面的Fuzzy-PI控制器的設(shè)計(jì)以后,經(jīng)過多次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明,自適應(yīng)Fuzzy-PI控制器比一般的PID控制器有明顯的優(yōu)勢。壓力控制的過程在快速性,穩(wěn)定性方面優(yōu)于一般的PID控制,在控制精度方面也好于PID控制。圖8給出了某次典型試驗(yàn)中氫氣的壓力控制過程曲線。

圖8 某次試驗(yàn)氫氣的壓力及閥門控制過程Fig.8 The pressure and valve control process during a typical test

可見在采用Fuzzy-PI控制器后,自適應(yīng)Fuzzy-PI控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短,超調(diào)較小,同時(shí)具有較高的控制精度。三種試驗(yàn)氣體的壓力控制精度都在1.0%以內(nèi),滿足設(shè)計(jì)要求?？諝?、氧氣和氫氣的壓力的控制穩(wěn)定時(shí)間也都達(dá)到了試驗(yàn)要求。

4 結(jié)束語

燃燒加熱器控制系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)實(shí)用和兼顧系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上,用單臺(tái)計(jì)算機(jī)較高效地實(shí)現(xiàn)了燃燒加熱器供氣系統(tǒng)的控制功能。在壓力控制方法上,采用了模糊控制的技術(shù)對燃燒加熱器中的氣動(dòng)閥門閥后氣體壓力進(jìn)行控制,克服了氣動(dòng)閥門的某些弱點(diǎn),取得了較好的控制效果,提高了試驗(yàn)設(shè)備的使用性能。

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