基于LabVIEW的吞雨測(cè)控系統(tǒng)

焦崗 韓陽(yáng) 侯海軍 薛卓

摘 要：本文通過(guò)Simulink建模仿真，分析在不同控制器模式下系統(tǒng)對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)，為系統(tǒng)選擇最合適的控制器。以此為依據(jù)完成了測(cè)控系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。在后續(xù)的試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在控制流量的過(guò)程中出現(xiàn)振蕩收斂以及流量信號(hào)大擾動(dòng)的現(xiàn)象。分析后得出，由于供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的缺陷，導(dǎo)致經(jīng)典PID控制效果不理想，采用基于LabVIEW的積分分離PID算法對(duì)系統(tǒng)控制軟件進(jìn)行改進(jìn)，解決了控制過(guò)程振蕩收斂的問(wèn)題，并取得了較好的控制效果。此外，通過(guò)信號(hào)隔離鏡像的方法解決了流量傳感器同時(shí)傳輸瞬時(shí)流量和累積流量時(shí)，瞬時(shí)流量信號(hào)出現(xiàn)大擾動(dòng)信號(hào)的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：控制 Simulink 積分分離PID LabVIEW

Abstract： Through Simulink modeling and simulation， this paper analyzes the response of the system to the step signal under different controller modes， and selects the most appropriate controller for the system. Based on this， the circuit design， software design and implementation of the measurement and control system are completed. In the course of subsequent tests， oscillation convergence and large disturbance of flow signal appear in the process of flow control. After analysis， it is concluded that the classical PID control effect is not ideal due to the defects of water supply system design. The integral separation PID algorithm based on LabVIEW is used to improve the system control software， solve the problem of oscillation convergence in the control process， and achieve good control effect. At the same time， the problem that the instantaneous flow signal appears big disturbance when the flow sensor transmits instantaneous flow and cumulative flow simultaneously is solved by signal isolation mirror method.

Key Words： Control; Simulink; Integral separation PID; LabVIEW

飛機(jī)在飛行中由于氣象條件的變化，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口可能吸入大量的雨水，這將會(huì)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)熄火、喘振、機(jī)械損壞，甚至嚴(yán)重的推力損失。為了模擬吞水對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和穩(wěn)定性的影響，開(kāi)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)吞水試驗(yàn)技術(shù)研究， 國(guó)軍標(biāo)明確了各型發(fā)動(dòng)機(jī)吞水試驗(yàn)的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和方法。

發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)吞水試驗(yàn)是驗(yàn)證飛機(jī)平臺(tái)復(fù)雜氣象環(huán)境下使用性能的重要前置試驗(yàn)科目，對(duì)明確飛機(jī)雨天使用限制以及化解后續(xù)試飛風(fēng)險(xiǎn)具有重大意義，是國(guó)軍標(biāo)明確的試驗(yàn)科目，更是發(fā)動(dòng)機(jī)試飛的關(guān)鍵技術(shù)。此前，我國(guó)在20世紀(jì)80年代就曾開(kāi)展過(guò)航空發(fā)動(dòng)機(jī)吞水試驗(yàn)，但此次準(zhǔn)備開(kāi)展的工作是發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)狀態(tài)下的試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)狀態(tài)下具有技術(shù)難度大、配套設(shè)備復(fù)雜、試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，于國(guó)內(nèi)尚屬首次。而發(fā)動(dòng)機(jī)雨滴模擬裝置即發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨裝置，無(wú)疑是這一試驗(yàn)中不可或缺的重要組成部分。

為研制某型發(fā)動(dòng)機(jī)吞雨裝置，為解決流量控制、壓力控制問(wèn)題，需要研制吞雨測(cè)控系統(tǒng)，本文就該系統(tǒng)的控制問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 系統(tǒng)分析與建模

1.1簡(jiǎn)化框圖模型

系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖模型如圖1所示（以流量閉環(huán)控制為例，壓力閉環(huán)控制同理）。

1.2比例閥模型

比例閥模型[1]：

現(xiàn)取轉(zhuǎn)速5r/min，阻尼比=0.6，固有頻率=0.524rad/s，流量增益，計(jì)算后比例閥模型：

1.3電機(jī)模型

電機(jī)模型[2]：

Km：電機(jī)增益系數(shù)Km=1。

Tm：電機(jī)機(jī)械時(shí)間常數(shù)Tm=0.0152。

Te：電機(jī)電氣時(shí)間常數(shù)Te=0.0035。

電機(jī)模型：

1.4泵模型及放大器增益

泵模型：

Q：流量0.6 （m3/min） 。

n：轉(zhuǎn)速2000 （r/min）? 。

K：常數(shù)。

KB：放大器增益。

簡(jiǎn)化模型令KB×K=1。

1.5系統(tǒng)時(shí)域模型

系統(tǒng)模型如圖2所示。

2 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能

當(dāng)系統(tǒng)模型建立完成后，選擇其最合適的控制器，對(duì)后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件編寫(xiě)、系統(tǒng)調(diào)試都具有十分重要的指導(dǎo)意義。

一般而言，階躍輸入對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是最嚴(yán)峻的工作狀態(tài)。如果系統(tǒng)在階躍函數(shù)作用下的動(dòng)態(tài)性能[3]滿足要求，那么系統(tǒng)在其他形式的函數(shù)作用下，其動(dòng)態(tài)性能也是令人滿意的。

穩(wěn)態(tài)誤差[4]是描述系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的一種指標(biāo)，通常在階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)或加速度函數(shù)作用下進(jìn)行測(cè)定或計(jì)算。本文中的穩(wěn)態(tài)誤差只是近似計(jì)算。

該模型在不同控制器下（P、PI、PD、PID），采用階躍輸入下，系統(tǒng)的響應(yīng)如圖3所示。

具體指標(biāo)如表1所示。

由于微分控制[4]反映誤差信號(hào)的變化趨勢(shì)，因此它能在誤差信號(hào)出現(xiàn)變化之前給出校正信號(hào)，防止系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)大的偏離和振蕩。積分控制，使系統(tǒng)的型別增加一級(jí)，因而可以有效地改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。

通過(guò)參數(shù)比較理論上，顯然在該系統(tǒng)中使用PID控制器較為合適，雖然相較其余3種經(jīng)典控制器，損失了一些系統(tǒng)性能，如到達(dá)峰值時(shí)間即系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，超調(diào)比PD控制器大等，但是經(jīng)典PID控制器消除了靜態(tài)誤差，提高了穩(wěn)態(tài)精度，表明其是最適合本文系統(tǒng)的，故在后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)，控制優(yōu)先采用經(jīng)典PID控制器進(jìn)行控制。

3 測(cè)控系統(tǒng)搭建及實(shí)現(xiàn)

要驗(yàn)證經(jīng)典PID控制器在實(shí)際系統(tǒng)中能否發(fā)揮出應(yīng)有的作用，首先需要設(shè)計(jì)并完成供水管路及測(cè)控系統(tǒng)的搭建，本文的測(cè)控系統(tǒng)是在供水系統(tǒng)搭建完成后進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在設(shè)計(jì)測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，優(yōu)先考慮所選元器件的可靠性及經(jīng)濟(jì)性[5]。

測(cè)控系統(tǒng)原理圖框圖如圖4所示，由工控機(jī)加采集控制模塊組成。采用研華的4路模擬量輸出模塊ADAM4024，進(jìn)行模擬量的輸出控制，對(duì)比例閥開(kāi)度進(jìn)行控制，從而控制供水量及供水壓力。采用研華的繼電器模塊ADAM4068，進(jìn)行繼電器的輸出控制，其中一路經(jīng)繼電器后控制電磁開(kāi)關(guān)閥動(dòng)作以及指示燈顯示，另一路經(jīng)接觸器回路（星三角啟動(dòng)器）后控制水泵的運(yùn)行狀態(tài)。采用NI的16通道差分的PCI6259模擬量采集卡進(jìn)行模擬量的采集，主要采集系統(tǒng)的壓力、流量、溫度等 信號(hào)。采用研華的16通道ADAM4053數(shù)字量采集模塊進(jìn)行數(shù)字量的采集[6]，主要采集閥門(mén)到位反饋信號(hào)、泵啟停反饋信號(hào)、控制按鈕指令信號(hào)、液位計(jì)等開(kāi)關(guān)量信號(hào)。動(dòng)力電380VAC，50Hz經(jīng)空氣開(kāi)關(guān)、斷路器后給水泵、接觸器主回路供電。市電220VAC＼50Hz（從動(dòng)力電抽引）經(jīng)隔離變壓器后分成三路：其中一路給顯示器及工控機(jī)供電;第二路進(jìn)入線性電源轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換后的電源作為測(cè)試電源，給傳感器及控制模塊供電;第三路進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)化模塊，轉(zhuǎn)換后的電源作為控制電源，給繼電器線圈、接觸器線圈及閥門(mén)供電。工控機(jī)上帶LAN口與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行TCP/IP通訊，同時(shí)帶有鼠標(biāo)鍵盤(pán)及顯示器接口。

測(cè)控系統(tǒng)軟件采用LabVIEW進(jìn)行編寫(xiě)，運(yùn)行主界面如圖5所示。界面?zhèn)壬喜繛楣r顯示，根據(jù)整個(gè)吞雨系統(tǒng)設(shè)備及管路安裝布局進(jìn)行畫(huà)面繪制，軟件運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及水路循環(huán)狀態(tài);界面左側(cè)下部為參數(shù)曲線顯示，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)采集到的傳感器參數(shù)[7]、反饋信息、設(shè)定參數(shù)等信息，并可以根據(jù)需要，挑選需要顯示的參數(shù)曲線;界面中間上方為參數(shù)字符串顯示，以字符加單位的形式，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的主要參數(shù)，方便操作及試驗(yàn)人員觀察;假面右上側(cè)為上位機(jī)下發(fā)參數(shù)表，即實(shí)時(shí)顯示上位機(jī)發(fā)送參數(shù)及狀態(tài)。界面中間下側(cè)為按鈕控制區(qū)域，包含手動(dòng)模式、自動(dòng)模式及狀態(tài)控制等控制按鈕，可以設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行模式以及運(yùn)行方式。界面右側(cè)下部為軟件運(yùn)行控制及模式選擇按鈕，可以進(jìn)行模式選擇及程序啟?？刂?、清除圖標(biāo)等功能。

4 實(shí)際控制時(shí)的問(wèn)題及解決

4.1系統(tǒng)控制的問(wèn)題

前述論證后，自動(dòng)模式下該系統(tǒng)采用PID經(jīng)典控制器進(jìn)行控制，軟件編寫(xiě)完成后，反復(fù)的調(diào)整PID參數(shù)，其實(shí)際的流量控制曲線如圖6所示。

出現(xiàn)上述振蕩收斂的原因，主要是該系統(tǒng)在供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)臺(tái)比較高，為了避免供水系統(tǒng)處于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣迎風(fēng)面的考慮，供水系統(tǒng)整體下沉安裝在地面附近。這樣導(dǎo)致供水系統(tǒng)需要連接一根長(zhǎng)管子，從噴水環(huán)下垂連接至地面附近。而由于系統(tǒng)供水量比較大，該管子的口徑相對(duì)較大，這樣一來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程開(kāi)始，需要先填充這一管路，后續(xù)流量調(diào)節(jié)也必然受這一管路影響。

由于管路較長(zhǎng)等因素，在整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定等操作時(shí)，即系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)輸出很大的偏差時(shí)，系統(tǒng)整體呈現(xiàn)振蕩收斂的控制效果。

4.2系統(tǒng)控制問(wèn)題分析

出現(xiàn)這一問(wèn)題后，由于受試驗(yàn)條件、試驗(yàn)影響等現(xiàn)有因素影響，無(wú)法實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更改，故只能從控制角度進(jìn)行解決。為了解決這一問(wèn)題，查閱資料后，認(rèn)為在該系統(tǒng)中引入積分分離控制的方式較為合適[8]。

積分分離控制其基本原理為：被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分作用，以避免由于積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大，從而產(chǎn)生較大的振蕩;當(dāng)被控量接近給定值時(shí)，引入積分作用，以消除靜態(tài)誤差，提高控制精度。

積分分離PID[9]控制算法可表示為：

式中，T為采樣時(shí)間，β為積分項(xiàng)的開(kāi)方關(guān)系數(shù)。

其中，ε為設(shè)定的閾值。

4.3系統(tǒng)控制問(wèn)題解決

將積分分離控制器應(yīng)用到本文的測(cè)控系統(tǒng)中，本文采用LabVIEW進(jìn)行程序的編寫(xiě)，編寫(xiě)后的核心控制程序模塊[10]如圖7所示。即在傳統(tǒng)的PID控制器前加入一個(gè)條件選擇結(jié)構(gòu)。將采集到的系統(tǒng)流量與設(shè)定流量進(jìn)行比較，當(dāng)差值大于閾值時(shí)，判定為假，此時(shí)引入PD參數(shù)給PID控制器，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小超調(diào)量;當(dāng)差值小于閾值時(shí)，此時(shí)引入PID參數(shù)給PID控制器，以達(dá)到消除靜態(tài)誤差，提高控制精度的目的。

經(jīng)過(guò)大量的調(diào)試試驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)在試驗(yàn)要求流量范圍內(nèi)，系統(tǒng)控制時(shí)，閾值ε設(shè)定為10時(shí)，控制效果最佳。故以10為判定值自動(dòng)在PID及PD控制器之間切換。

調(diào)試后，在前述震蕩收斂的狀態(tài)中，采用引入積分分離PID后的軟件，進(jìn)行控制，控制效果圖如圖8所示。

由圖8可以明顯看出，積分分離PID對(duì)于本文的測(cè)控系統(tǒng)效果明顯，且控制結(jié)果較好。

5、流量傳感器大擾動(dòng)信號(hào)的問(wèn)題及解決

5.1流量傳感器的問(wèn)題

由于是首次進(jìn)行吞雨測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不可避免的總會(huì)遇到一些問(wèn)題。在吞雨測(cè)控系統(tǒng)中要求采集瞬時(shí)流量以及累計(jì)流量，并要求較高的采集速度[11]。故在搭建系統(tǒng)之初，采用NIPCI6259模擬量采集卡采集瞬時(shí)流量信號(hào)，同時(shí)通過(guò)RS485模塊讀取累積流量信號(hào)。系統(tǒng)搭建完成后，在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，采集過(guò)程中發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)流量信號(hào)不定期會(huì)發(fā)生大擾動(dòng)信號(hào)干擾。擾動(dòng)信號(hào)如圖9所示。

5.2流量傳感器問(wèn)題分析

分析數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，擾動(dòng)出現(xiàn)的時(shí)間并沒(méi)有規(guī)律性，而出現(xiàn)擾動(dòng)的振幅基本一致，可以初步判斷出，該擾動(dòng)信號(hào)是系統(tǒng)本身引起的。該信號(hào)為模擬量采集端口，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)儀表監(jiān)視這一端口，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)擾動(dòng)與圖9一致。

在排除管路、閥門(mén)、電路及采集卡等的因素外，將問(wèn)題歸結(jié)為流量傳感器本身的問(wèn)題，是由于其內(nèi)置算法及電路的原因，當(dāng)同時(shí)使用瞬時(shí)與累積通道時(shí)產(chǎn)生了該問(wèn)題。與廠家溝通后，由于該產(chǎn)品為硬件固化成熟產(chǎn)品，無(wú)法從產(chǎn)品方面解決該問(wèn)題，因此只能改變吞雨測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行解決。

由于在設(shè)定不同流量時(shí)，觀察該擾動(dòng)，發(fā)現(xiàn)并無(wú)特定規(guī)律，故在軟件上進(jìn)行信號(hào)濾波[12]比較困難（無(wú)法進(jìn)行比例、奇值、數(shù)值等濾波），故選擇進(jìn)行電路更改。

5.3流量傳感器問(wèn)題解決

更改后的電路原理框圖如圖10所示。將流量傳感器的瞬時(shí)流量信號(hào)，經(jīng)信號(hào)隔離器后一分為二，其中一路直接進(jìn)入PCI6259模擬量采集卡，作為瞬時(shí)流量，另一路進(jìn)入流量積計(jì)算儀，轉(zhuǎn)換為累積流量，通過(guò)串口信號(hào)進(jìn)入測(cè)控計(jì)算機(jī)。

更改模式后的實(shí)物圖如圖11所示。

更改完成后，系統(tǒng)運(yùn)行后，瞬時(shí)流量信號(hào)如圖12所示，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)該信號(hào)出現(xiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行正常。至此，大擾動(dòng)信號(hào)干擾消除。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)進(jìn)行建模仿真分析，分析系統(tǒng)在不同控制器下的響應(yīng)，從而選出了理論上最合適的控制器。由于供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的缺陷，導(dǎo)致經(jīng)典PID控制效果不理想，查閱大量資料后，引入積分分離PID概念，同時(shí)將LabVIEW與積分分離PID完美結(jié)合，解決了經(jīng)典PID在該系統(tǒng)中振蕩收斂的問(wèn)題，系統(tǒng)得到了較好的控制效果。由于流量計(jì)本身的原因，導(dǎo)致在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，瞬時(shí)流量出現(xiàn)大擾動(dòng)信號(hào)。在徹底分析原因后，制定更改吞雨測(cè)控系統(tǒng)電路的可行性方案，即采用信號(hào)隔離鏡像的方法解決流量傳感器同時(shí)傳輸瞬時(shí)流量和累積流量時(shí)，瞬時(shí)流量信號(hào)出現(xiàn)大擾動(dòng)信號(hào)的問(wèn)題。通過(guò)理論與實(shí)際的結(jié)合，理論與工程的結(jié)合，解決了一系列問(wèn)題，完成了模型發(fā)動(dòng)機(jī)吞雨測(cè)控系統(tǒng)的研制，同時(shí)圓滿完成了試驗(yàn)任務(wù)。

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