飛機座艙壓力專家模糊預控方法仿真研究

關 喜 峰

(中航飛機股份有限公司 陜西 西安 710089)

0 引 言

飛機座艙壓力調節是飛機在執行任務過程中的一個非常重要的環節，其直接關系到飛機上飛行人員的生命安全及飛行任務的完成與否。隨著新型戰機的發展，對飛機座艙環境的舒適性與安全性的要求越來越高[1]。但是，某XX型高速大機動飛機在高速俯沖過程中，高空座艙壓力增壓速度較慢，中低空座艙壓力增速超限，而且在高速俯沖轉平飛時，壓力調節精度差且調整時間長，嚴重影響飛行員的身體及工作狀態，甚至會影響飛機的安全性，造成機毀人亡的事故[2]。因此，座艙壓力調節系統中對于控制技術的改進要求迫切，逐漸成為研究熱點[3]。

機載座艙壓力控制系統從最初的氣動式控制方式發展到電子氣動式，直至現在的純數字式[4-5]，其中影響座艙壓力調節系統性能優劣的關鍵因素在于控制策略的制定[6]。在各類控制系統中，應用最為廣泛且效果最好的壓力控制算法是PID控制算法及其改型[7-8]，如：魏天航等[9]提出了模糊增益調度控制方法以改善動態過程座艙壓力的超調量、提高響應速度能力等；許苗峰[10]和劉超[4]將模糊PID控制器運用于數字式座艙壓力調節系統中，提高系統的響應速度并減少系統超調量?？梢?，眾多研究者們對于座艙壓力調節系統的動態響應性能的關注度很高，也迫切希望通過研究解決這一難題。然而，座艙壓力調節系統面臨的實際環境十分惡劣，單靠一種控制方法并不能解決所有問題，因此，有學者開始關注某一特定環境下的座艙壓力調節控制方法的改進，如本文關注的飛機高速俯沖環境下的座艙壓力控制方法的動態響應優化問題，西北工業大學鄭新華[2]博士曾針對該問題在其博士論文中進行了詳細的闡述并提出了一種利用壓差補償的方法優化改進座艙壓力控制器的控制方法。但是，值得指出的是，這類控制方法僅適用于飛機特定飛行環境下的座艙壓力控制，當發生飛行狀態轉換時，就會出現適用性差的問題。隨著控制領域對知識庫的認識不斷提高，控制實踐過程中的豐富控制經驗被不斷積累及學習，因此利用專家控制知識庫的豐富經驗結合其他控制策略的復合控制策略成為解決復雜控制問題的有效手段[11-12]。

為解決新型大機動戰機高空高速俯沖情況下座艙壓力增速慢及轉為平飛狀態時座艙壓力調節存在穩態調整時間長的問題，本文提出一種飛機座艙壓力專家模糊PID預控方法。該方法對常規模糊PID控制存在的模糊規則無法隨被控對象環境改變而改變的缺點，利用專家控制器知識庫的動態學習能力，改善在飛行狀態切換時座艙壓力控制的控制能力，同時引入預測控制機制，進一步提高壓力調節的動態性能。

1 座艙壓力調節系統

1.1 系統組成

以數字式座艙壓力調節系統為例，如圖1所示，它主要包括飛機座艙(被控對象)、控制電機和排氣活門(執行機構)，以及座艙壓力控制器(控制機構)[4]。

圖1 座艙壓力調節系統組成

1.2 工作原理

飛機座艙壓力控制系統的工作原理是利用飛機座艙壓力傳感器感受飛機座艙壓力，利用飛行數據感受環境大氣壓力，利用飛機座艙壓力控制器分析環境大氣與座艙內的壓力，對控制電機和排氣活門等執行機構做出動作控制指令，即向飛機座艙排氣活門發出氣動驅動信號來控制排氣活門的開啟度，改變飛機座艙內空氣的排氣量，并按照飛機座艙壓力制度曲線這一規定規律調節座艙壓力和壓力變化速度，使其符合飛機座艙壓力制度。飛機座艙壓力調節過程一般分為三個階段：自由通風階段，比例壓力調節階段，余壓調節階段。飛機座艙壓力制度即飛機座艙內絕對壓力和余壓隨海平面高度的變化規律，主要取決于飛機的機種與飛行任務[2，4]。飛機座艙余壓即飛機座艙壓力與壓力制度(環境大氣壓力)之間的差值。

飛機座艙壓力制度隨海平面高度的變化規律為：

(1)

式中：h為海平面高度，單位m；?為年平均溫度直減率，0.006 5 ℃/m；ph為h高度上的大氣壓力，單位Pa；p0為海平面上的大氣壓力，p0=101 325 Pa；R為氣體常數，在各高度上不變，R=287 J/(kg·K)；g為重力加速度，g=9.81 m/s2[4]。

每個國家在飛機座艙壓力變化方面都有各自嚴格的標準規定。美國軍用戰斗飛機座艙壓力的標準規定是：當飛機處于海拔2 438 m以下時，座艙不增壓。當飛機海拔高度大于2 438 m且小于7 010 m時，座艙壓力保持在2 438 m時的壓力。當飛機海拔高度超過7 010 m時，座艙余壓要保持在29.4～34.5 kPa之間。飛機座艙壓力增壓速率最大為3.45 kPa/s，減壓速率最大為6.89 kPa/s。我國座艙壓力標準規定為HB 6497—1991，規定座艙壓力最大的增壓速率為0.67 kPa/s，最大的減壓速率為1.33 kPa/s[2]。

2 專家模糊PID控制

在實際的工業生產及機械控制方面，PID控制算法依舊是最廣泛應用的方法，但是其控制參數的整定問題，不僅需要長期的實踐經驗而且直接影響著控制效果好壞，因此大量的研究工作者開始尋找簡易有效的途徑來有效解決這一問題[10]。

模糊PID控制方法即是解決這一問題的有效途徑。該方法運用模糊數學的理論和方法，把經驗規則的條件、相應操作等用模糊集來表示，并將這些模糊控制規則及相關信息作為經驗知識保存入計算機當中，然后計算機根據控制器的實際響應自動地進行模糊推理，實現對PID控制參數的調整，并得到最佳組合，這就是模糊PID控制[10]。模糊自整定PID控制器目前有很多種結構，但是其工作原理基本上是一致的。

模糊PID控制器是以實際輸入和實際輸出的誤差e及誤差變化ec作為控制器的輸入，能夠實現不同控制環境下的e和ec對PID控制參數的自動整定。利用模糊控制規則對PID控制參數實現在線自動調整，即模糊PID控制器，其中模糊控制系統基本流程如圖2所示，模糊PID控制器通用結構如圖3所示，其中：rin為輸入信號；de為誤差變化量；yout為輸出信號；de/dt為誤差變化率。

圖2 模糊控制系統

圖3 模糊PID控制器結構

PID控制參數模糊自動整定即是尋找到PID三個控制參數與誤差e以及誤差變化ec之間的模糊關系，在實際控制過程中不斷根據e和ec、模糊控制理論對PID三個控制參數進行不斷的在線調整，使PID三個控制參數kp、ki、kd滿足不同e和ec情況下的不同要求，進而實現良好的靜、動態性能。比例控制P、積分控制I、微分控制D是PID控制中的三個控制因素。

模糊PID控制的PID控制參數自動整定必須考慮在不同時刻不同環境下三個參數的作用。PID三個控制參數kp、ki、kd的作用分別是：

(1)kp是比例系數，其主要作用是提高系統的響應速度。系統的響應速度隨kp的數值增大而增大。kp越大，系統越容易產生超調，甚至造成系統不穩定；kp越小，系統調節時間越長，響應速度越慢。

(2)ki是積分系數，目的是消除系統的穩態誤差。系統的穩態誤差消除的速度隨ki的增大而增大。ki越大，系統在響應過程中越容易差生超調；ki越小，系統的調節精度越差。

(3)kd是微分系數，目的是改善系統的動態性能。系統在響應過程中抑制偏差的能力隨kd值的增大而增大。kd越大，會提前制動響應過程，延長系統調節時間，降低系統的抗干擾能力。

通過模糊PID控制的介紹，可以看出模糊規則一旦確定一般不易改變，同時模糊PID控制是一個PID參數的動態尋優過程，該過程是以損耗時間和控制效果為代價的，這些缺點就影響了模糊PID控制的適用性。而專家控制是一種基于知識的控制，擁有豐富的知識庫資源，能夠有效地改善模糊PID控制的動態和穩態性能。將專家控制與模糊PID控制有機結合構成模糊PID控制器，可以在控制過程中動態積累更多的知識，同時節省模糊PID的控制參數尋優時間，不斷提高控制質量。

專家模糊PID控制實質上屬于一種緊密型監督控制策略，主要包括專家控制及模糊PID控制。其中專家控制是利用在控制時間中積累的大量的知識庫資源，對模糊PID控制進行快速優化，減少模糊控制的參數尋優時間；而模糊PID控制則是被控對象的直接控制器。兩者的復合控制方式能夠實現被控對象在參數變化及結構變化等情況下的魯棒性控制，且控制精度較高。

3 方法流程

本文設計的專家系統的框架如圖4所示，主要包括知識更新機制、知識庫技術、推理輸出三個部分。首先知識更新機制中，初始知識是利用專家經驗進行添加，更新知識是通過歷史選擇結合學習算法動態完成，具有自學習能力的知識庫能夠優化專家系統的應用效果，本文在這一部分不作深入描述。其次，是知識庫技術，該部分是根據文獻[13]，基于故障樹技術構建的一種知識庫處理技術，該技術能夠明顯提高基于規則的專家系統的執行速度，通過構建一個索引庫和若干限定范圍的規則庫，實現知識的索引、匹配和采用。最后是推理輸出，利用當前PID三個控制參數kp、ki、kd值、大氣壓力變化率，以及飛行狀態轉換時間這些條件參量，對專家系統的知識庫進行篩選推理，實現與模糊PID控制的集成。本文采用三種影響模糊PID控制的輸出邏輯：維持不變、重置、預控。維持不變是保持當前模糊PID控制現狀，對控制參數不做調整。重置是利用知識庫積累的平飛狀態時穩定的PID控制參數重置當前狀態下的模糊PID控制參數，以減少模糊PID穩態調整時間。預控則是根據飛行狀態轉換時間預測該時間間隔后的控制狀態，利用知識庫經驗預測調節模糊PID控制策略。通過前文模糊PID控制的介紹，可以看出模糊規則一旦確定一般不易改變，同時模糊PID控制是一個PID參數的動態尋優過程，該過程是以損耗時間和控制效果為代價的，這些缺點就影響了模糊PID控制的適用性，尤其在飛機飛行狀態轉換時。本文利用專家系統改善模糊PID控制的動態和穩態性能，經過專家知識庫的動態學習，得出飛機狀態轉換時，采用模糊PID控制、模糊預控、重置PID控制參數的專家控制策略具有最佳的控制效果的結論。

圖4 專家系統框架

本文方法的流程如圖5所示，本文方法利用專家模糊PID預控方法替代常規模糊PID控制策略。在飛機高速俯沖過程中，考慮了飛機高速變化率及壓力調節系統自身時間延遲的影響，對當前高度下的大氣壓力進行優化，同時利用大氣壓力增速速度對壓力調節過程進行適當修正。在飛行狀態轉換時，利用專家控制知識庫動態學習能力，對模糊PID控制進行預控修正并引入重置機制，通過不斷的學習，得出狀態轉換時最佳控制策略為模糊PID控制、模糊預控、重置PID控制參數的專家控制策略。

圖5 本文方法流程

本文方法步驟如下：

步驟1計算飛機速度與壓力調節系統自身時間延遲帶來的距離延遲，以及距離延遲后的高度下的大氣壓力值，作為控制器的目標值輸入。

步驟2以步驟1得到的優化后的大氣壓力值為目標值，按照式(2)和式(3)計算誤差e和誤差變化ec。

e=r-y

(2)

ec=et-et-1

(3)

式中：r表示t時刻大氣壓力目標值；y表示t時刻飛機座艙壓力值；et表示t時刻誤差。

步驟3以誤差e和誤差變化ec為輸入，設計模糊控制器規則，對PID控制參數進行自整定。本文設計7個模糊子集來進行描述：Kd={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，分別表示{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}。其中模糊控制器輸入和輸出的隸屬度函數分布為三角形，如圖6所示。

圖6 三角形隸屬度函數分布圖

為了建立合理的控制規則，得到更好的動態性能，需要對不同情況的動態過程使用不同的PID控制參數。如當|e|的值較大時，為了有較快的系統響應性能，防止偏差的瞬間增大，應當提高P的作用而減小D的作用，同時取消I的作用；當|e|和|ec|的值為中等大小時，為了使系統響應速度較快且超調量較小，應當減小P的作用，適當選擇ki和kd；當|e|的值比較小時，為了使系統有良好的穩態性能，應當增加P和I的作用，適當選擇kd。

依照上述的PID控制參數調整規則，建立如表1、表2所示的控制參數模糊規則表。

表1 Δ kp/Δ ki的模糊規則表

表2 Δ kd的模糊規則表

步驟4模糊推理并解模糊，得到模糊PID控制器輸出的精確量。本文選用常用的式(4)加權平均法進行解模糊。

(4)

式中，xi為論域X上的n個元素，n為元素數量；μ(xi)為隸屬函數的加權系數。

步驟5利用飛機高度變化率帶來的大氣壓力增速對壓力調節過程進行適當修正。當大氣增壓速度超過規定的座艙壓力最大增速時，為了有較快的系統響應性能，直接最大化P的作用，Δkp取最大值，直至座艙壓力增壓速度達到規定的最大值。

步驟6知識庫積累、學習大氣壓力變化率、模糊控制器控制策略。

步驟7根據飛行狀態轉換時間預測該時間間隔后的控制狀態，利用知識庫經驗預測調節模糊PID控制策略。

步驟8當進入穩態調整階段時，利用知識庫積累的平飛狀態時穩定的PID控制參數重置當前狀態下的模糊PID控制策略，以減少穩態調整的時間。

4 實 驗

根據文獻[2]的分析案例，利用文獻[14]的數學模型，對本文方法進行仿真實驗驗證。案例為某型戰機從15 km高空以250 m/s的垂直速度向低空高速俯沖，在3 km高度處改為平飛狀態，設定余壓29.4 kPa，假設飛機執行機構延遲時間為1 s，狀態切換時間為3 s。本文以文獻[4]模糊PID方法以及不增加專家控制的本文方法為對比，對本文方法效果進行對比分析。

評價方法優劣的標準是：飛機座艙壓力調節系統在增壓、減壓速度不超過規范限的前提下，能夠盡可能地增加飛機處于正常作戰性能發揮的時間，轉換技術指標為增加座艙余壓減少至0的飛行過程時間、增加飛機保持正常壓力的空域范圍[2，4]，同時減少飛行狀態轉換時壓力調節超調量及減少穩態調整時間。

如圖7所示，模糊PID控制策略情況下的戰機在俯沖開始后，座艙壓力增速逐漸增大，整個過程的座艙壓力的平均增壓速度為0.558 kPa/s。在俯沖時間為46 s至47 s之間時座艙余壓為0，對應高度為3 250 m至3 500 m，之后出現負壓，座艙壓力開始超限。本文方法控制下的戰機在俯沖開始后座艙壓力增速較快，整個過程的座艙壓力的平均增壓速度為0.610 kPa/s。同時，在俯沖至平飛狀態時，座艙余壓仍不為0。在飛行狀態轉換時，本文方法相比于不增加專家控制的控制策略，達到穩態的時間提前了4 s，相比于文獻[4]的模糊PID控制方法提前了7 s，具體評價指標對比如表3所示?？梢姳疚姆椒ㄔ诟_時，提高了座艙壓力的增壓速度，增加了空域范圍；在高速俯沖轉為平飛時，減少了達到穩態的時間，改善了座艙壓力系統的動態性能。

圖7 仿真實驗對比效果圖

表3 評價指標對比

5 結 語

為解決新型大機動戰機高空高速俯沖情況下座艙壓力增速慢及轉為平飛狀態時座艙壓力調節穩態時間長的問題，本文提出一種飛機座艙壓力專家模糊PID預控方法，通過對比仿真實驗分析驗證了本文方法的有效性。在戰機高速俯沖情況下，本文利用壓調系統時間延遲及飛機高度變化率改進的模糊PID控制策略能夠提高座艙壓力增壓速度，提高俯沖時間及戰機空域范圍；在飛行狀態轉換時，本文提出的專家模糊PID預控方法能夠利用知識庫改進模糊PID控制策略，通過減少控制策略調整時間來達到減少穩態調整時間的目的。