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  应用科技  2018, Vol. 45 Issue (2): 60-64  DOI: 10.11991/yykj.201703003
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引用本文  

周海力, 朱达书, 刘冲. 飞机变频恒压加油控制系统设计[J]. 应用科技, 2018, 45(2), 60-64. DOI: 10.11991/yykj.201703003.
ZHOU Haili, ZHU Dashu, LIU Chong. Design on the variable-frequency constant-pressure refueling control system of aircraft[J]. Applied Science and Technology, 2018, 45(2), 60-64. DOI: 10.11991/yykj.201703003.

基金项目

国家自然科学基金项目(61503091)

通信作者

周海力,E-mail:zhou_haili@qq.com

作者简介

周海力(1986−),男,工程师,博士

文章历史

收稿日期:2017-03-08
网络出版日期:2017-05-16
飞机变频恒压加油控制系统设计
周海力, 朱达书, 刘冲    
中国船舶工业系统工程研究院,北京 100094
摘要:为了解决飞机传统加油方式中存在的压力控制不精准、能源浪费大、效率低下等问题,提出了采用变频调速实现恒压加油的方式,设计了基于可编程逻辑控制器(PLC)和视窗控制中心(WinCC)的机场飞机恒压加油系统。根据加油系统的性能指标(如压力、流量)设计出了泵−管路系统。并根据恒压加油控制原理,建立了系统近似数学模型,设计了自适应模糊PID控制算法,仿真实验表明在运行过程中始终处于最优状态,对飞机变频加油控制系统设计具有较好的指导意义。
关键词飞机    变频    恒压    加油    控制算法    PLC    WinCC    自适应模糊控制    PID控制    系统仿真    
Design on the variable-frequency constant-pressure refueling control system of aircraft
ZHOU Haili, ZHU Dashu, LIU Chong    
System Engineering Research Institute of China State Shipbuilding Corporation, Beijing 100094, China
Abstract: In order to solve the problems existing in the traditional refueling way of aircraft, including inaccurate pressure control, large waste of energy and low efficiency, avariable-frequency speed-governing constant-pressure oil supply means was proposed. This paper designed a constant-pressure refueling system based on programmable logic controller (PLC) and Windows control center(WINCC) for airport aircraft, according to the performance indices (such as pressure, flow) of the refueling system, the pump-pipe system was also designed. According to the constant-pressure refueling control principle, an approximate mathematical model of the system was established and an adaptive fuzzy PID variable-frequency constant-pressure refueling control algorithm was designed. The simulation experiments show that, the system kept under the optimal state all along in the operation process and it has an excellent guidance sense for the design of the variable-frequency refueling control system of aircraft.
Key words: Aircraft, variable-frequency    constant pressure    refueling    control algorism    PLC    WinCC    adaptive fuzzy control    PID control    system simulation    

随着社会经济的迅速发展,机场现代化水平的不断提高,飞机加油过程中对对流量、压力等流量特性指标的要求越来越高,传统基于回流阀和工频泵的飞机加油的方式已经不能满足新时代背景下的使用需求。近年来,基于可编程逻辑控制器(PLC)的变频调速恒压加油控制技术得到了广泛的应用,它利用PLC、传感器、电气控制设备、变频器及油泵机组组成闭环控制系统,被认为是一种理想的加油控制方式。由于具有压力控制精准、自动化程度高、节能高效等特点,在机场中得到了广泛的应用。

目前国内基于变频调速技术的恒压加油系统的设计思路主要是基于文献[1]提出的通用PID控制。通用PID控制具有结构简单、可靠性高、容易实现等优点,适用于可建立精确数学模型控制系统。因此,长期以来广泛应用于工业过程控制,并取得了良好的控制效果。对于机场加油系统这种多参数、时变的复杂系统,如果采用常规PID,会出现超调量和振荡次数大幅度增加,过渡时间明显延长等一系列问题,控制效果往往达不到预期。因此这种系统需要一个实时控制器,能够实现PID参数的在线调整[2]

将模糊控制思想[3]与常规PID控制器相结合形成了参数自适应模糊PID控制[4]。该控制方式结合了模糊控制与常规PID控制两者的优点,扬长避短,衍生出了多种模糊PID控制器。主要用于解决传统方法难以应对的控制对象参数在大范围内动态变化的问题,它是解决PID参数在线调整问题的一种有效方法,通过系统的自适应能力,能够自动识别被控过程参数,自动调节控制参数,适应被控过程参数的变化,比常规PID控制器控制性能更好,可靠性更高。

根据机场飞机恒压加油[5-6]的特性,在满足控制要求的前提下提出了采用变频调速实现恒压加油的控制方案,并根据控制方案提出了变频恒压加油硬件系统的设计与实现,介绍了硬件系统的结构。针对飞机加油系统中控制系统复杂多变[7],控制参数测定不精确;文章提出了把PID控制与自适应模糊控制结合在一起的自适应模糊PID控制应用于变频恒压加油系统中[8],通过PID参数的在线模糊自整定能够对PID参数进行实时修改,对加油系统中管网压力进行实时控制,取得了良好的控制效果。

1 变频恒压加油系统的构成  

根据系统设计要求,为达到大范围恒压加油的目的,选择5台油泵实现恒压加油。5台油泵均为变频泵,采用一拖五的控制方案。系统框图如图1所示。

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图 1 变频恒压加油系统结构

图1可以看出变频调速恒压加油系统由执行机构、信号检测、PLC控制系统、变频器、人机界面及报警装置等部分组成。其工作过程如下:系统工作时,首先由远传压力表检测出管路油压,将模拟量送到PLC控制器,与给定油压值比较,其误差及误差的变化进行模糊运算后,在线修正PID参数。再由PID控制器控制变频器的输出频率,从而调节1号变频泵转速。当变频器频率达到最大时,经过一定延时后,如果管路压力还是低于设定值,就把1号变频泵由变频状态切换到工频状态,同时变频器切换到第2台变频泵开始控制第2台变频泵,第2台变频泵以变频状态启动,变频器频率增加,泵的转速也逐渐增加,直到达到管路油压与设定油压相等。如果第2台泵达到工频状态还不能满足油压设定值,再启动第3台油泵、第4台油泵……直到达到设定值要求。如果管路油压超过设定值,那就要逐渐减小变频器频率,如果频率减小到最低值,管路油压还是高于设定值再减泵,那么停变频器正在控制的泵,然后把变频器切换到控制前一台泵……直到使管路油压达到设定值要求。同时,系统具有油罐液位和管路油压检测功能。当油罐液位低或管路油压与设定值不符时报警。该系统还设有多种保护功能、强电逻辑硬件互锁功能、人机交互功能、报警及上位连接功能,这些功能保证了系统的稳定运行。

2 模糊自适应PID控制器的设计 2.1 模糊控制系统结构

模糊自适应PID控制器主要由参数可调整的PID控制器和模糊推理器两部分组成。模糊推理器以偏差e和偏差变化率ec作为输入,以常规PID控制器的3个参数KPKIKD为输出,采用模糊推理方法实现对参数KPKIKD的在线调整,以满足不同时刻偏差e和偏差变化率ec对PID参数自调整的要求。而参数自调整后PID控制器实现对系统的控制,使被控对象具有良好的动态、静态性能。其结构如图2所示。

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图 2 参数自适应模糊PID控制器结构图
2.2 P1D控制器参数自整定原则

PID控制器是一种线性控制器,它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)的偏差作为其输入,即

$e\left( t \right) = r(t) - c(t)$

通常,PID连续控制算法表达式为

$P(t) = {K_{\text{P}}}[e(t) + \frac{1}{{{T_{\text{I}}}}}\int_0^{\text{t}} {e(t){\text{d}}t + \frac{{{T_{\text{D}}}{\text{d}}e(t)}}{{{\text{d}}t}}} ]$

采样周期为T时,将上式进行离散化,则其位置式PID表达式为

$\begin{aligned} P(k) = & {K_{\text{P}}}e(k) + \\ & {K_{\text{P}}}\frac{T}{{{T_{\text{I}}}}}\sum\limits_{j = 0}^k {e(j) + {K_{\text{P}}}\frac{{{T_{\text{D}}}}}{T}[e(k) - e(k - 1)} ] \end{aligned} $

式中:KI=KPT/TI为积分参数,KD=KPTD/T为微分参数,KP为比例参数,TI为积分时间常数,T为采样周期。

PID参数自整定的实现思想是先找出PID3个参数与偏差e和偏差变化率ec的模糊关系,从而在运行中再根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修改。从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑。

2.3 各变量隶属度函数的确定

根据自适应模糊PID控制器的原理,用于PID参数调整的模糊控制器采用二输入三输出的形式。该控制器是以eec作为输人,以ΔKP、ΔKI、ΔKD为输出,将系统误差e和误差变化率ec变化范围定义为模糊集上的论域,它们的论域和模糊子集分别为{−6,−5,−4,−3,−2,−1,0,1,2,3,4,5,6}和 {NB,NM,NS,O,PS,PM,PB},子集中的元素分别代表负大,负中,负小,零,正小,正中,正大。同样输出量ΔKP、ΔKI、ΔKD的论域和模糊子集分别为{−6,−5,−4,−3,−2,−1,0,1,2,3,4,5,6}和{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}。隶属度函数均为三角形,如图3所示。

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图 3 系统误差隶属度函数
2.4 建立模糊控制规则表

在本控制系统中,要求系统对各种扰动反应要快,因此总结工程人员的实际操作经验和技术知识,并结合上述的参数整定原则,建立适当的模糊控制规则表。在线运行时,直接查表,就可以对PID参数进行整定,从而达到快速响应的目的。其ΔKP、ΔKI、ΔKD3个参数整定的模糊控制规则有以下49条:

1) 如果(e为NB)且(ec为NB), 则(ΔKP为PB) (ΔKI为NB) (ΔKD为PS);

2) 如果(e为NB)且(ec为NM), 则(ΔKP为PB) (ΔKI为NB) (ΔKD为NS);

……

49) 如果(e为PB)且(ec为PB), 则(ΔKP为NB) (ΔKI为PB) (ΔKD为PB)。

根据模糊规则,应用模糊合成推理可得到PID参数的修正量,代人如下自调整算式计算出新的PID参数。

${K_{\text{P}}}{\text{ = }}{K_{\text{P}}}^\prime {\text{ + }}\Delta {K_{\text{P}}}{\text{ = }}{K_{\text{P}}}^\prime + {\{ {e_{\text{I}}},e{c_{\text{I}}}\} _{\text{P}}}$
${K_{\text{I}}}{\text{ = }}{K_{\text{I}}}^\prime {\text{ + }}\Delta {K_{\text{I}}}{\text{ = }}{K_{\text{I}}}^\prime + {\{ {e_{\text{I}}},e{c_{\text{I}}}\} _{\text{I}}}$
${K_{\text{D}}}{\text{ = }}{K_{\text{D}}}^\prime {\text{ + }}\Delta {K_{\text{D}}}{\text{ = }}{K_{\text{D}}}^\prime + {\{ {e_{\text{I}}},e{c_{\text{I}}}\} _{\text{D}}}$

式中: ${K_{{P}}}^\prime 、{K_{{I}}}^\prime 、{K_{{D}}}^\prime $ 为采用常规整定方法得到的KPKIKD的预整定值,ΔKP、ΔKI、ΔKD为根据eec的大小基于模糊控制规则得到的修正参数。

3 系统仿真及分析 3.1 系统近似模型

加油系统是由控制器、变频器、压力传感器、电器控制柜以及油泵机组[9]等组成,它是一个闭环控制系统。由加油系统的特性可知,油泵由初始状态向管网供油,一般可分为升压过程和恒压过程。升压过程近似为一阶惯性环节,其时间常数T1很大;恒压过程是一个纯滞后过程,压力基本保持不变。变频器和电机可等效为一阶惯性环节,它们带死区的时间常数为T2。但其他控制和检测环节如继电器控制转换、压力转换等,其滞后时间与供水系统执行机构的滞后时间相比,均可忽略不计,可等效为比例环节。因此,供油系统的数学模型可等效为二阶环节(它由2个惯性环节串联)和纯滞后环节,可表示为

${{G}}\left( S \right) = \frac{K}{{\left( {{T_1}S + 1} \right)\left( {{T_2}S + 1} \right)}}{e^{ - \tau s}}$

式中:K为系统的总增益, $\tau $ 为系统纯滞后时间,T1为系统的惯性时间常数,T2为变频器和电机时间常数。

系统近似模型选取为

${{G}}\left( S \right) = \frac{{0.8}}{{\left( {12S + 1} \right)\left( {100S + 1} \right)}}{e^{ - 6s}}$
3.2 仿真及分析

利用MATLAB的模糊控制工具箱建立控制器的仿真模型[10],分别采用常规PID和自适应模糊PID对恒压加油系统进行仿真,其控制结构如下图4所示。图4上半部分为自适应模糊PID控制,下半部分为传统PID控制,传统PID控制中,经反复试凑参数,确定参数如下:KP=4,KI=0.032,KD=0.2;模糊自适应PID控制中,eec、ΔKP、ΔKI、ΔKD的论域区间分别为[−6,6]、[−6,6]、[−6,6]、[−6,6]、[−6,6]。初步设定输入的量化因子为Ke=3、Kec=6,比例因子为 ${K_{{k_{\text{P}}}}}{\text{ = }}0.5$ ${K_{{k_{\text{I}}}}}{\text{ = }}0.003$ ${K_{{k_{\text{D}}}}}{\text{ = }}15$ ,然后再通过Simulink调试,反复试凑得到最后的值为10、5、0.1、0.001、6时控制效果比较好。

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图 4 模糊自适应 PID 控制与PID控制的 SIMULINK框图(加干扰)

图5中分析计算可知,采用自适应模糊PID进行控制时,超调量为0.1%,调整时间为75 s;采用PID控制时,超调量为4%,调整时间为140 s。在第200 s时给系统添加幅值为0.3的阶跃干扰,采用自适应模糊PID控制时超调量为6.5%,调整时间为100 s,采用PID控制时为超调量为11%,调整时间为150 s,因此采用自适应模糊PID控制效果明显好于PID控制。

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图 5 系统的阶跃响应(加干扰)

下面通过改变被控对象来验证自适应模糊PID控制器的强适应性和鲁棒性。在原常规PID与自适应模糊PID的参数均不变的前提下,改变原被控对象的参数,将原被控对象修改为

${{G}}\left( S \right) = \frac{{0.96}}{{\left( {15S + 1} \right)\left( {100S + 1} \right)}}{e^{ - 6s}}$

对新的被控对象进行仿真,仿真结果如图6所示。

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图 6 模型变化时系统的阶跃响应

图6中分析计算可知,改变系统模型后,采用自适应模糊PID进行控制时超调量为5.2%,调整时间为80 s,采用PID控制时,超调量为16%,调整时间为130 s;在第200 s时给系统添加阶跃干扰,采用自适应模糊PID控制时超调量为7%,调整时间为100 s,采用PID控制时为超调量为15%,调整时间为150 s,因此采用自适应模糊PID控制效果明显好于PID控制。

由于加油系统加油飞机数目有很大的随机性,因此系统模型参数也是不确定的,我们无法对其建立精确数学模型。模糊控制通过模拟一个不确定对象模糊模型的方法来解决不确定对象的控制问题,其控制效果具有动态响应好、调整时间小、超调小等优点。加油系统中设计的参数自适应模糊PID控制器能在运行过程中根据被控对象特性修改、调整模糊控制参数,克服系统非线性,从而改善系统控制性能。

4 结论

本文为了实现飞机加油过程中的恒压控制,设计了加油系统,它是基于自适应模糊PID控制算法,其主要意义在于:

1)提出了变频恒压模糊控制策略,针对加油管路系统参数时变、分线性的问题,将模糊控制理论应用于采用变频调速技术恒压加油系统之中。

2)设计出了参数自适应模糊PID控制器,该控制器可以很好地恒压控制那些存在复杂多变、控制参数测定不精确等特征的加油系统,弥补了传统的PID控制的不足,是对传统恒压加油方式的一种创新。

3)提出了基于PLC的多泵并联加油控制系统,设计了变频泵、工频泵混合并切换逻辑算法和系统,实现了负荷高效、可靠切换的设计目标。

4)所设计的系统实现了多泵组加油的循环软起动,具有变频器单泵压力补偿调节、先启先停、周期定时切换运行、自动巡检等功能。具有良好的经济效益和社会效益。

参考文献
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