飞机多发引气系统流量平衡控制设计与应用

　　摘要：针对某型飞机飞行试验中引气系统流量不平衡的问题，按照不同构型用户系统的用气需求，设计了基于多源并联管网流量平衡的引气控制系统，运用增量式PID控制算法对整个系统进行控制，编写了系统的流量控制软件，并通过系统试验加以验证。结果表明，本文中采用的流量平衡控制方法能够将多发引气系统的流量差异控制在20%以内。

　　关键词：引气系统;流量平衡;增量式PID控制

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　　0 引言

　　飞机引气系统是给空调系统、机翼防冰系统等关联系统提供温度和压力预调的空气，在地面和空中从不同的气源起动发动机，控制和监控从发动机、APU或者地面高压气源的引气和分配的环控系统的子系统[1]。引气系统不仅是环境控制系统的关键分系统，也是发动机的关键系统之一[2]，其设计合理与否直接关系到飞机安全性和系统运行经济性[3]。

　　大型飞机的引气系统通常采用多台发动机同时引气的构型。在某型飞机试飞阶段，出现了多台发动机同时引气时流量不平衡的问题，即在保证下游总的用气量前提下，每台发动机的引气量相差超过70%，致使发动机的用气可能出现单路引气超量的现象，从而可能影响发动机的动力，给飞机飞行安全带来隐患。另外，发动机引气的流量还受环控系统不同工况的影响，环控系统的工作状态繁多，构型复杂。因此，对发动机引气流量平衡控制方法的探索和研究是十分重要和关键的。

　　目前国内大型飞机多发引气系统对于多台发动机、APU及地面气源供气构成的多源并联管网，在温度与压力的综合控制、系统故障隔断、极限保护以及构型控制等方面已经进行了相关研究，但对多台发动机并联供气时相关支路的流量平衡控制尚处于原理性探索阶段，对于工程设计和应用还存在不足。

　　对于多数气体的流量控制而言，一般具有惯性大、滞后性强、非线性等特点，通过传统的PID算法实现对系统的高精度控制较为困难。虽然PID控制的改进算法较多，如模糊PID控制、基于神经网络的PID控制等，但计算过程较为复杂。本文采用增量式PID控制算法为基础，结合专家规则，设计了基于多源并联管网流量平衡的引气控制系统，编制了系统的控制软件，实际运行效果较好，且方法简单易行。

　　1 增量式PID控制原理

　　其中：ΔU(k)为第k时刻的输出增量，每次的输出量U(k)是通过本次增量累加上一次输出量U(k-1)得到的，即U(k)=U(k-1)+ΔU(k)。增量式PID计算结果是增量，所以系统产生的误动作对输出结果的影响较弱，通过逻辑判断能使影响消除。其次，增量的计算只与三次相邻采样值相关，使用加权处理的方法能改善控制效果。比例系数KP能改变响应速率，可对系统偏差做出及时响应[4]，但可能引起较大超调;积分系数KI可以用来消除系统稳态误差[5]，但可能由于积分饱和致使系统出现较大超调;微分系数KD可以消除系统振荡，但可能出现动态超调。

　　2 流量平衡控制系统

　　本文的控制对象是各支路引气系统的流量。发动机引气系统是通过中、高压级引气活门切换、再经过压力调节和温度调节，从而提供满足不同构型用户系统的用气需求。整个控制系统的基本结构如图1所示。系统主要由4条引气支路组成，每条支路包含中压单向活门、高压引气活门、压差传感器、压调活门、预冷器及反压活门组成。正常供气时由引气主管路的隔断活门隔离，因此在正常状态下左、右侧支路之间供气流量不会出现干扰，从而导致流量出现较大偏差。若某路引气失效，不足四发引气供气时，隔断活门会自动打开，此时，需要对所有支路引气流量进行平衡控制。本文只讨论正常引气时流量平衡控制，由于左右两侧引气隔离，其单侧两路流量控制方法相同，因此下面针对单侧两路引气流量的控制开展研究。引气流量平衡控制系统如图1所示。

　　系统的流量控制过程主要为，综合管理计算机实时采集每条支路上压差传感器(DP)的电流值i，根据公式计算出各支路引气流量GE，从而得出系统的平均流量GLA。再根据增量PID控制算法计算出输出量U，通过综合管理计算机输出相应的电流指令I，从而控制压调活门的开度，进而控制整个系统各支路流量的变化，使之达到相对平衡。

　　3 流量平衡控制方法

　　3.1 系统控制逻辑

　　4 流量平衡控制软件

　　流量平衡控制软件主流程如图2所示。

　　根据图2可知，控制系统主流程的软件模块主要包括：初始化模块、信号采集模块、引气流量计算模块和活门控制量计算模块。

　　5 试验结果与分析

　　基于本次设计的流量平衡控制系统，以增量式PID控制算法为基础，结合专家规则，通过某型飞机地面单侧双发引气系统试验，分别从引气出口压力变化以及下游用户用气构型改变两种情况，对流量平衡控制系统的控制效果进行验证，如图3、图4所示。

　　从图3和图4可以看出，使用本文设计的控制系统和PID控制算法，能够将多发引气系统中两侧引气流量偏差控制在20%以内。该系统的设计已成功应用于某型飞机设计和试验中，对于引气系统三发同时供气的构型仍需要进一步验证和研究。

　　6 结语

　　本文针对某型飞机飞行试验中引气系统流量不平衡的问题，设计了基于多源并联管网流量平衡的引气控制系统，运用增量式PID，结合专家规则，实现了对多发引气系统流量平衡的精准控制，将各路引气流量偏差控制在20%以内，满足系统的控制精度要求。该方法已成功应用于某型飞机系统设计中，并通过地面试验验证，具有一定的应用前景。

　　參考文献

　　[1] 寿荣中，何慧姗.飞行器环境控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

　　[2] 薛文鹏，马昌，李瑜，杨建虎.某航空发动机引气流量精确测量和控制[J].工程与试验，2016，04(12)：38-40.

　　[3] 《飞机设计手册》总编委会编;雷世豪分册主编，飞机设计手册第15册：生命保障和环控系统设计[M].北京：航空工业出版社，1999：9.

　　[4] 曹柏荣，郁海华.基于VB的电子线路板自动测试系统设计[J].自动化仪表，2007，28(11)：40-42.

　　[5] 华山，何黎明，田作华，等.某电路板自动测试系统的设计与实现[J].测控技术，2008，27(7)：15-16+19.

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文章名称： 飞机多发引气系统流量平衡控制设计与应用

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