一种外涵机匣热强度试验温度控制方法研究

郑 瑶

(中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065)

1 温度控制系统组成

发动机外涵机匣试验温度控制系统由外涵机匣、电加热管加热器、温度传感器、控制器、调功设备等组成，如图1所示。

图1 控制系统组成示意图

电加热管加热器结构如图2所示，由电阻发热丝、耐高温合金、绝缘粉末、导线电极、绝缘端子等组成。由于作为加热器主要元件的电阻丝的热惯性较大，加热管加热器的控制响应速度较慢。

图2 电加热管结构示意图

当加热器通电时，电阻发热丝发热，热量经过绝缘粉末和耐高温合金向外传导，从而实现对试验件的加热。外涵机匣热强度试验的传热方式如图3所示，加热器处于机匣的内部空间内，通过对流和辐射对机匣内壁进行加热，机匣内外表面的热量交换则是通过传导来实现。

图3 机匣传热过程示意图

由电加热管加热器的组成结构和加热原理可知，其整个温度控制过程响应较慢，滞后严重，采用传统的PID控制方式容易导致超温，从而对试验件造成损伤。因此，需要研究一种能够有效解决加热器响应滞后带来的温度超调问题的控制方法。

2 温度控制方法

作为外涵机匣温度控制系统的主要组成部分，加热管加热器具有响应速度慢的特点。根据自动控制理论可知，整个温度控制系统是一个大滞后系统，在进行温度控制时，很容易发生温度超调现象。为了解决温度控制中存在的超调问题，针对该滞后控制系统引入了模糊控制的概念。

2.1 控制原理

为了解决该滞后系统的控制问题，本文设计了一种基于传统PID控制同时结合模糊控制思想的温度控制方法，有效地解决了加热控制中的温度超调问题，其控制方法流程如图4所示。

图4 控制方法流程示意图

本文设计的控制方法以PID控制为基础，即针对控制系统的误差，通过比例、积分、微分运算，得到控制输出值，并利用该值对功率调节设备进行控制，从而达到对试件加热的目的。常规PID控制的控制规律为：

(1)

式(1)中，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。在工业控制中，一般需要对PID控制规律进行离散化处理，得到：

(2)

为了解决温度超调问题，可以在温度控制的不同阶段使用不同的PID参数，即在PID赋值时采用递增或递减的多组参数来替换一组参数，将一次变化分解为多步变化，从而减轻超调对系统的影响。

在PID控制的基础上增加模糊限伏控制环节可以有效对系统的最大输出值进行限制，从而避免过冲现象。所谓模糊控制，是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制，根据专家的经验和实际被控对象的特点，建立合理的模糊控制逻辑，实现对系统的控制。在该控制系统中，根据系统特征和控制特点建立模糊逻辑规则，对控制输出值进行一定的限制，从而间接降低PID控制的响应速度，达到与滞后控制系统的同步，实现对其控制。利用模糊控制对输出值进行限伏，能够有效避免在试验初始阶段控制误差较大时，滞后系统的温度响应过慢导致控制输出过大造成的超调现象的发生。

2.2 控制方法实现

分段PID参数可以通过软件编程实现，即根据当前的误差判断应该使用哪一组控制参数，其流程如图5所示。

图5 分段PID参数选择流程示意图

多组PID参数可通过前期调试获得，也可用经验参数代替，根据不同的控制温升要求选择不同的控制参数。

模糊限伏控制即在不同的阶段使用不同的控制输出限伏，防止输出满度造成超调量过大。其限伏值可根据经验或调试获得，并由该系列值组成专家库，模糊限伏值如图6中标注的部分所示。本文将整个温升过程分成8个部分，在每个阶段使用不同的限伏值来限制调功装置的输出，防止输出值过大带来的超调现象发生。

图6 控制程序中的模糊限伏值

2.3 控制效果

在某型外涵机匣热强度试验中，要求整个机匣的温度达到285℃。使用常规PID控制方式对机匣进行温度控制，其控制效果如图7中的虚线所示，虽然温度响应较快，但是无论在升温阶段还是在保温阶段，温度超调都比较明显。使用优化PID控制方法后，虽然响应速度较慢，但整个升温过程相对平稳，保温过程也没有发生超调，控制精度较常规PID有较大提升。

图7 优化PID控制效果

3 结 论

发动机外涵机匣热强度试验系统具有滞后系统的典型特征，本文针对控制系统的特性设计了经过优化的PID控制方法，该方法在原有PID控制的基础上增加了分段PID参数赋值、模糊限伏控制等环节，将调节量分解为若干步骤完成。将该方法应用在某试验中，有效地解决了温度超调问题，提高了试验的安全系数和控制精度，得到了很好的控制效果。该控制方法的提出，为今后滞后系统的控制提供了一种解决思路，具有一定的应用价值。