基于模糊PID控制仿真的飛機除冰液加熱系統研究

孫 列

(西安航空學院 飛行器學院, 陜西 西安 710089)

隨著我國科技的不斷進步，越來越多類型的飛機逐漸出現在人們的日常生活中，成為人們出行的主要代步工具之一，被廣泛應用于民用運輸以及科學研究等領域中。由于飛機體型過大，通常情況下被停放于機場內部，若氣候條件處于寒冷的冬季，可造成飛機機身因天氣原因而出現積冰現象，不利于飛機的安全運行。因此，專業的除冰設備對于飛機穩定運行具有重要作用。但是傳統飛機除冰液加熱系統存在大滯后、非線性以及時變性等缺陷，易受外界因素干擾。本研究為實現對飛機機身的快速除冰，利用模糊PID控制方式對飛機除冰液加熱系統進行設計，該加熱系統可在最短的時間內完成加熱以及大流量噴灑除冰液等操作，并且可實時對除冰液的實際溫度進行控制，有利于保證除冰液噴灑的均勻性。

1 基于模糊PID控制的飛機除冰液加熱系統模型構建

1.1 飛機除冰液加熱系統基本原理

飛機除冰液加熱系統的主要作用為：持續向飛機除冰設備提供溫度較為穩定的除冰液，以此保證飛機運行的安全性。向飛機除冰設備中加入除冰液時，應保證除冰原液與水之間可在最短的時間內快速完成混合，并且使除冰液的黏度不被外界因素所破壞，飛機除冰液加熱系統整體結構如圖1所示[1]。

該系統主要由除冰液儲液箱、即熱式加熱器、液壓泵以及噴槍等設備共同組成。由于除冰液屬于一種黏度較高的液體，為保證飛機除冰液加熱系統對除冰液進行加熱時，該系統的除冰效果不受外界因素所干擾，本研究選用柱塞式液壓泵作為加熱系統的核心設備，有利于提升系統的工作效率，對于飛機的安全行駛具有重要保障。該液壓泵主要采用往復的工作模式進行運轉，其工作方式與加熱系統切換工作方式時，可使閥組件出現開啟或者關閉現象，造成除冰液在液壓泵的管道內出現不同程度的流量波動，不利于系統對除冰液溫度的精準控制[2]。

1.2 飛機除冰液加熱系統模型構建

本研究為保證飛機除冰液加熱系統的穩定運行，采用實驗測試的方式對該系統的模型進行構建。在實驗過程中精準記錄所得數據，根據該數據對飛機除冰液加熱系統的溫度飛升曲線進行繪制，飛機除冰液的流量為200 L/min時即可開始溫度飛升曲線的繪制，飛機除冰液溫度飛升曲線如圖2所示[3]。

為保證加熱系統在飛機除冰液處于200 L/min大流量下仍可維持大功率加熱狀態，采用時域法對該系統進行加熱試驗，以此實現對該曲線的精準處理，其中時域法通常情況下用于動態系統的測定。飛機除冰液溫度飛升曲線的處理流程為

(3)最后由各項數據對系統的階次n進行計算，求得階次n=3[4]。

假設飛機除冰液加熱系統的模型為

(1)

根據該模型對參數K和T進行計算，其公式為

(2)

(3)

式中:Δμ為階躍輸入幅值。

根據參數K和T的數值即可建立加熱系統模型，當飛機除冰液的流量為200 L/min時，對該模型的實際曲線進行修正，得到系統的傳遞函數公式為

(4)

式中:T1=T2=T3=14,τ/T1=0.786，由于二者之間的比值大于標準值0.3，可表明飛機除冰液加熱系統的延遲現象較為嚴重[5]。

通過表3可知，I≥6度面積與直接經濟損失關聯度最大，實際地震中，地震高烈度范圍越大，說明受災面積越大，導致的直接經濟損失自然越高?？蚣芙Y構比例、人均居住面積、農民人均純收入、砌體結構比例與直接經濟損失關聯度靠前，事實上，這些方面均能反映該地區的經濟發展水平，并且對該地區的經濟水平產生重要影響，如框架結構建筑功能以商場和酒店為主，震害區框架結構建筑倒塌越多，所造成的直接經濟損失也會越大。

2 基于模糊PID控制的飛機除冰液加熱系統溫度控制

本研究為有效降低飛機除冰液加熱系統存在的誤差問題，利用模糊PID控制算法的優勢，對模糊PID控制器進行設計。模糊PID控制算法的整體思想為：若飛機除冰液加熱系統的誤差范圍較大，應采用Fuzzy對系統進行控制；若飛機除冰液加熱系統的誤差范圍較小，應采用PID控制方法對系統進行控制。模糊PID控制實際上是一種復合式的控制方法，該方法在保證系統動態響應效果的同時，有利于最大限度地改善飛機除冰液加熱系統的穩態控制精度，飛機除冰液加熱系統溫度控制器整體結構如圖3所示[6]。

2.1 PID控制器

通過動態特性參數法、穩定邊界法等預整定方法對PID參數進行整定，即可得到PID參數值。為此本研究將PID控制器置于Matlab/Simulink環境下，利用Ziegler-Nichols經驗公式整定PID參數值，該方法主要在穩定性分析方法的基礎上完成相應計算，其計算流程為：

(1)首先假設Ki=Kd=0。

(2)其次，對系統的比例系數進行增加，直至飛機除冰液加熱系統出現振蕩后停止比例系數的增加，此時閉環系統的極點位于jω軸上。

(3)最后對系統內部各項參數進行計算。

參數Kp、Ki、Kd的計算公式為

(5)

式中:Km為飛機除冰液加熱系統出現振蕩時刻的K值；ωm為系統振蕩頻率，通過式(5)即可計算出各參數的值，Kp、Ki、Kd的數值分別為0.051 7、0.001 7、0.395 5。

2.2 模糊PID控制器

本研究對模糊PID控制器進行設計時，主要采用二維模糊控制器作為核心。該控制器可充分反映出系統在受控情況下各輸出變量的動態特性，其中輸入語句變量指的是系統誤差e及誤差變化ec[7]。

2.2.1 確定控制器結構

為保證模糊PID控制器對飛機除冰液加熱系統的控制精度，本研究對系統內各個變量進行模糊集和論域范圍的定義：

各變量的論域范圍分別為：{-40,40}、{-50,50}、{0,3}。輸入e、ec、u隸屬度函數曲數如圖4所示。

2.2.2 建立控制規則

若系統出現誤差現象，可直接影響飛機除冰液加熱系統的輸出特性，為有效控制飛機除冰液加熱系統的誤差現象，本研究將構成的Fuzzy控制器應用于加熱系統中，在該控制器的基礎上對系統進行仿真實驗。為在最短的時間內使飛機除冰液達到系統要求，應適當地對控制規則進行調整，模糊控制規則如表1所示。

表1 模糊控制規則表

模糊控制規則確定后，采用最小-最大-重量法(MMG)的方式對加熱系統進行反模糊化，反模糊化公式為

(6)

3 基于模糊PID控制的飛機除冰液加熱系統仿真測試

3.1 飛機除冰液加熱系統仿真模塊

本研究為驗證飛機除冰液加熱系統對溫度的控制情況，采用建立仿真模型的方式對該系統進行仿真測試。其測試流程為：首先將飛機除冰液加熱系統置于Matlab/Simulink圖像化建模環境中，實現模糊PID控制系統模型的建立，該仿真模型主要包括模糊控制器模塊、PID模塊等部分。

對該模型進行設計時，利用模糊PID控制算法將開關器安裝在控制器與被控對象之間。該開關器的主要作用是根據偏差信號的差異性，實現加熱系統對控制器的自動選擇，有利于加熱系統及時根據需求對控制方法進行更改。

開關器實現開關作用的方式為：假設輸入通道2為條件通道，此時應對開關器的值進行設定，若輸入通道2的開關器數值超過設定數值時，開關器應選擇輸出通道1；若輸入通道2的開關器數值未超過設定數值時，開關器應選擇輸出通道2。由開關器的變化情況可知，給加熱系統控制器中的開關進行適當數值的設定，即可實現加熱系統對控制方式的自動選擇，該系統可選擇的控制方式主要包括模糊控制以及PID控制。通常情況下，設定值的最大誤差值為10%，本研究對模糊控制及PID控制的轉換數值進行設定時，將設定值定為|e0|=10[8]。

3.2 飛機除冰液加熱系統仿真結果

本研究對飛機除冰液加熱系統的仿真測試時，主要將模糊PID控制方式作為核心，結合該系統的數學模型，并采用對比分析的方式對加入Smith預估的PID控制、模糊PID控制以及模糊控制結果進行分析，有利于最大限度地保證飛機除冰液加熱系統測試結果的精準性，從根源上對飛機的安全性進行保證，三種控制方式的性能比較如表2所示。

表2 三種控制方式的性能比較結果

通過對三種控制方式進行分析可知，三者之間模糊PID控制方式在上升過程中所消耗的時間最長，但是該方式的超調量為0，有利于最大限度地消除飛機除冰液加熱系統在運行過程中產生的穩態誤差，且過渡時間耗時最短，具有良好的穩定性及快速性，符合飛機除冰液加熱系統對控制器的實際要求。

4 結 語

為保證飛機運行的安全性，設計出飛機除冰液加熱系統，該系統的主要作用是持續向飛機除冰設備提供溫度較為穩定的除冰液。由于除冰液屬于一種黏度較高的液體，若向飛機除冰設備中加入除冰液時，加熱系統無法保證除冰原液與水之間可在最短的時間內快速完成混合，可造成飛機因機身積冰現象過于嚴重，而出現安全隱患問題。為此本研究選用柱塞式液壓泵作為加熱系統的核心設備，有利于提升系統的工作效率，對于飛機的安全行駛具有重要保障。為保證加熱系統在飛機除冰液處于200 L/min大流量下仍可維持大功率加熱狀態，采用時域法對該系統進行加熱試驗，實驗結果可表明飛機除冰液加熱系統的延遲現象較為嚴重。對于系統存在的穩態誤差，本研究選用模糊PID控制算法對控制器進行設計，實現對加熱系統的整體控制，并通過仿真測試的方式對系統精準性進行驗證，結果表明該控制方式符合飛機除冰液加熱系統的實際要求。