飞机座舱压力专家模糊预控方法仿真研究

关 喜 峰

(中航飞机股份有限公司 陕西 西安 710089)

0 引 言

飞机座舱压力调节是飞机在执行任务过程中的一个非常重要的环节，其直接关系到飞机上飞行人员的生命安全及飞行任务的完成与否。随着新型战机的发展，对飞机座舱环境的舒适性与安全性的要求越来越高[1]。但是，某XX型高速大机动飞机在高速俯冲过程中，高空座舱压力增压速度较慢，中低空座舱压力增速超限，而且在高速俯冲转平飞时，压力调节精度差且调整时间长，严重影响飞行员的身体及工作状态，甚至会影响飞机的安全性，造成机毁人亡的事故[2]。因此，座舱压力调节系统中对于控制技术的改进要求迫切，逐渐成为研究热点[3]。

机载座舱压力控制系统从最初的气动式控制方式发展到电子气动式，直至现在的纯数字式[4-5]，其中影响座舱压力调节系统性能优劣的关键因素在于控制策略的制定[6]。在各类控制系统中，应用最为广泛且效果最好的压力控制算法是PID控制算法及其改型[7-8]，如：魏天航等[9]提出了模糊增益调度控制方法以改善动态过程座舱压力的超调量、提高响应速度能力等；许苗峰[10]和刘超[4]将模糊PID控制器运用于数字式座舱压力调节系统中，提高系统的响应速度并减少系统超调量。可见，众多研究者们对于座舱压力调节系统的动态响应性能的关注度很高，也迫切希望通过研究解决这一难题。然而，座舱压力调节系统面临的实际环境十分恶劣，单靠一种控制方法并不能解决所有问题，因此，有学者开始关注某一特定环境下的座舱压力调节控制方法的改进，如本文关注的飞机高速俯冲环境下的座舱压力控制方法的动态响应优化问题，西北工业大学郑新华[2]博士曾针对该问题在其博士论文中进行了详细的阐述并提出了一种利用压差补偿的方法优化改进座舱压力控制器的控制方法。但是，值得指出的是，这类控制方法仅适用于飞机特定飞行环境下的座舱压力控制，当发生飞行状态转换时，就会出现适用性差的问题。随着控制领域对知识库的认识不断提高，控制实践过程中的丰富控制经验被不断积累及学习，因此利用专家控制知识库的丰富经验结合其他控制策略的复合控制策略成为解决复杂控制问题的有效手段[11-12]。

为解决新型大机动战机高空高速俯冲情况下座舱压力增速慢及转为平飞状态时座舱压力调节存在稳态调整时间长的问题，本文提出一种飞机座舱压力专家模糊PID预控方法。该方法对常规模糊PID控制存在的模糊规则无法随被控对象环境改变而改变的缺点，利用专家控制器知识库的动态学习能力，改善在飞行状态切换时座舱压力控制的控制能力，同时引入预测控制机制，进一步提高压力调节的动态性能。

1 座舱压力调节系统

1.1 系统组成

以数字式座舱压力调节系统为例，如图1所示，它主要包括飞机座舱(被控对象)、控制电机和排气活门(执行机构)，以及座舱压力控制器(控制机构)[4]。

图1 座舱压力调节系统组成

1.2 工作原理

飞机座舱压力控制系统的工作原理是利用飞机座舱压力传感器感受飞机座舱压力，利用飞行数据感受环境大气压力，利用飞机座舱压力控制器分析环境大气与座舱内的压力，对控制电机和排气活门等执行机构做出动作控制指令，即向飞机座舱排气活门发出气动驱动信号来控制排气活门的开启度，改变飞机座舱内空气的排气量，并按照飞机座舱压力制度曲线这一规定规律调节座舱压力和压力变化速度，使其符合飞机座舱压力制度。飞机座舱压力调节过程一般分为三个阶段：自由通风阶段，比例压力调节阶段，余压调节阶段。飞机座舱压力制度即飞机座舱内绝对压力和余压随海平面高度的变化规律，主要取决于飞机的机种与飞行任务[2，4]。飞机座舱余压即飞机座舱压力与压力制度(环境大气压力)之间的差值。

飞机座舱压力制度随海平面高度的变化规律为：

(1)

式中：h为海平面高度，单位m；∂为年平均温度直减率，0.006 5 ℃/m；ph为h高度上的大气压力，单位Pa；p0为海平面上的大气压力，p0=101 325 Pa；R为气体常数，在各高度上不变，R=287 J/(kg·K)；g为重力加速度，g=9.81 m/s2[4]。

每个国家在飞机座舱压力变化方面都有各自严格的标准规定。美国军用战斗飞机座舱压力的标准规定是：当飞机处于海拔2 438 m以下时，座舱不增压。当飞机海拔高度大于2 438 m且小于7 010 m时，座舱压力保持在2 438 m时的压力。当飞机海拔高度超过7 010 m时，座舱余压要保持在29.4～34.5 kPa之间。飞机座舱压力增压速率最大为3.45 kPa/s，减压速率最大为6.89 kPa/s。我国座舱压力标准规定为HB 6497—1991，规定座舱压力最大的增压速率为0.67 kPa/s，最大的减压速率为1.33 kPa/s[2]。

2 专家模糊PID控制

在实际的工业生产及机械控制方面，PID控制算法依旧是最广泛应用的方法，但是其控制参数的整定问题，不仅需要长期的实践经验而且直接影响着控制效果好坏，因此大量的研究工作者开始寻找简易有效的途径来有效解决这一问题[10]。

模糊PID控制方法即是解决这一问题的有效途径。该方法运用模糊数学的理论和方法，把经验规则的条件、相应操作等用模糊集来表示，并将这些模糊控制规则及相关信息作为经验知识保存入计算机当中，然后计算机根据控制器的实际响应自动地进行模糊推理，实现对PID控制参数的调整，并得到最佳组合，这就是模糊PID控制[10]。模糊自整定PID控制器目前有很多种结构，但是其工作原理基本上是一致的。

模糊PID控制器是以实际输入和实际输出的误差e及误差变化ec作为控制器的输入，能够实现不同控制环境下的e和ec对PID控制参数的自动整定。利用模糊控制规则对PID控制参数实现在线自动调整，即模糊PID控制器，其中模糊控制系统基本流程如图2所示，模糊PID控制器通用结构如图3所示，其中：rin为输入信号；de为误差变化量；yout为输出信号；de/dt为误差变化率。

图2 模糊控制系统

图3 模糊PID控制器结构

PID控制参数模糊自动整定即是寻找到PID三个控制参数与误差e以及误差变化ec之间的模糊关系，在实际控制过程中不断根据e和ec、模糊控制理论对PID三个控制参数进行不断的在线调整，使PID三个控制参数kp、ki、kd满足不同e和ec情况下的不同要求，进而实现良好的静、动态性能。比例控制P、积分控制I、微分控制D是PID控制中的三个控制因素。

模糊PID控制的PID控制参数自动整定必须考虑在不同时刻不同环境下三个参数的作用。PID三个控制参数kp、ki、kd的作用分别是：

(1)kp是比例系数，其主要作用是提高系统的响应速度。系统的响应速度随kp的数值增大而增大。kp越大，系统越容易产生超调，甚至造成系统不稳定；kp越小，系统调节时间越长，响应速度越慢。

(2)ki是积分系数，目的是消除系统的稳态误差。系统的稳态误差消除的速度随ki的增大而增大。ki越大，系统在响应过程中越容易差生超调；ki越小，系统的调节精度越差。

(3)kd是微分系数，目的是改善系统的动态性能。系统在响应过程中抑制偏差的能力随kd值的增大而增大。kd越大，会提前制动响应过程，延长系统调节时间，降低系统的抗干扰能力。

通过模糊PID控制的介绍，可以看出模糊规则一旦确定一般不易改变，同时模糊PID控制是一个PID参数的动态寻优过程，该过程是以损耗时间和控制效果为代价的，这些缺点就影响了模糊PID控制的适用性。而专家控制是一种基于知识的控制，拥有丰富的知识库资源，能够有效地改善模糊PID控制的动态和稳态性能。将专家控制与模糊PID控制有机结合构成模糊PID控制器，可以在控制过程中动态积累更多的知识，同时节省模糊PID的控制参数寻优时间，不断提高控制质量。

专家模糊PID控制实质上属于一种紧密型监督控制策略，主要包括专家控制及模糊PID控制。其中专家控制是利用在控制时间中积累的大量的知识库资源，对模糊PID控制进行快速优化，减少模糊控制的参数寻优时间；而模糊PID控制则是被控对象的直接控制器。两者的复合控制方式能够实现被控对象在参数变化及结构变化等情况下的鲁棒性控制，且控制精度较高。

3 方法流程

本文设计的专家系统的框架如图4所示，主要包括知识更新机制、知识库技术、推理输出三个部分。首先知识更新机制中，初始知识是利用专家经验进行添加，更新知识是通过历史选择结合学习算法动态完成，具有自学习能力的知识库能够优化专家系统的应用效果，本文在这一部分不作深入描述。其次，是知识库技术，该部分是根据文献[13]，基于故障树技术构建的一种知识库处理技术，该技术能够明显提高基于规则的专家系统的执行速度，通过构建一个索引库和若干限定范围的规则库，实现知识的索引、匹配和采用。最后是推理输出，利用当前PID三个控制参数kp、ki、kd值、大气压力变化率，以及飞行状态转换时间这些条件参量，对专家系统的知识库进行筛选推理，实现与模糊PID控制的集成。本文采用三种影响模糊PID控制的输出逻辑：维持不变、重置、预控。维持不变是保持当前模糊PID控制现状，对控制参数不做调整。重置是利用知识库积累的平飞状态时稳定的PID控制参数重置当前状态下的模糊PID控制参数，以减少模糊PID稳态调整时间。预控则是根据飞行状态转换时间预测该时间间隔后的控制状态，利用知识库经验预测调节模糊PID控制策略。通过前文模糊PID控制的介绍，可以看出模糊规则一旦确定一般不易改变，同时模糊PID控制是一个PID参数的动态寻优过程，该过程是以损耗时间和控制效果为代价的，这些缺点就影响了模糊PID控制的适用性，尤其在飞机飞行状态转换时。本文利用专家系统改善模糊PID控制的动态和稳态性能，经过专家知识库的动态学习，得出飞机状态转换时，采用模糊PID控制、模糊预控、重置PID控制参数的专家控制策略具有最佳的控制效果的结论。

图4 专家系统框架

本文方法的流程如图5所示，本文方法利用专家模糊PID预控方法替代常规模糊PID控制策略。在飞机高速俯冲过程中，考虑了飞机高速变化率及压力调节系统自身时间延迟的影响，对当前高度下的大气压力进行优化，同时利用大气压力增速速度对压力调节过程进行适当修正。在飞行状态转换时，利用专家控制知识库动态学习能力，对模糊PID控制进行预控修正并引入重置机制，通过不断的学习，得出状态转换时最佳控制策略为模糊PID控制、模糊预控、重置PID控制参数的专家控制策略。

图5 本文方法流程

本文方法步骤如下：

步骤1计算飞机速度与压力调节系统自身时间延迟带来的距离延迟，以及距离延迟后的高度下的大气压力值，作为控制器的目标值输入。

步骤2以步骤1得到的优化后的大气压力值为目标值，按照式(2)和式(3)计算误差e和误差变化ec。

e=r-y

(2)

ec=et-et-1

(3)

式中：r表示t时刻大气压力目标值；y表示t时刻飞机座舱压力值；et表示t时刻误差。

步骤3以误差e和误差变化ec为输入，设计模糊控制器规则，对PID控制参数进行自整定。本文设计7个模糊子集来进行描述：Kd={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，分别表示{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。其中模糊控制器输入和输出的隶属度函数分布为三角形，如图6所示。

图6 三角形隶属度函数分布图

为了建立合理的控制规则，得到更好的动态性能，需要对不同情况的动态过程使用不同的PID控制参数。如当|e|的值较大时，为了有较快的系统响应性能，防止偏差的瞬间增大，应当提高P的作用而减小D的作用，同时取消I的作用；当|e|和|ec|的值为中等大小时，为了使系统响应速度较快且超调量较小，应当减小P的作用，适当选择ki和kd；当|e|的值比较小时，为了使系统有良好的稳态性能，应当增加P和I的作用，适当选择kd。

依照上述的PID控制参数调整规则，建立如表1、表2所示的控制参数模糊规则表。

表1 Δ kp/Δ ki的模糊规则表

表2 Δ kd的模糊规则表

步骤4模糊推理并解模糊，得到模糊PID控制器输出的精确量。本文选用常用的式(4)加权平均法进行解模糊。

(4)

式中，xi为论域X上的n个元素，n为元素数量；μ(xi)为隶属函数的加权系数。

步骤5利用飞机高度变化率带来的大气压力增速对压力调节过程进行适当修正。当大气增压速度超过规定的座舱压力最大增速时，为了有较快的系统响应性能，直接最大化P的作用，Δkp取最大值，直至座舱压力增压速度达到规定的最大值。

步骤6知识库积累、学习大气压力变化率、模糊控制器控制策略。

步骤7根据飞行状态转换时间预测该时间间隔后的控制状态，利用知识库经验预测调节模糊PID控制策略。

步骤8当进入稳态调整阶段时，利用知识库积累的平飞状态时稳定的PID控制参数重置当前状态下的模糊PID控制策略，以减少稳态调整的时间。

4 实 验

根据文献[2]的分析案例，利用文献[14]的数学模型，对本文方法进行仿真实验验证。案例为某型战机从15 km高空以250 m/s的垂直速度向低空高速俯冲，在3 km高度处改为平飞状态，设定余压29.4 kPa，假设飞机执行机构延迟时间为1 s，状态切换时间为3 s。本文以文献[4]模糊PID方法以及不增加专家控制的本文方法为对比，对本文方法效果进行对比分析。

评价方法优劣的标准是：飞机座舱压力调节系统在增压、减压速度不超过规范限的前提下，能够尽可能地增加飞机处于正常作战性能发挥的时间，转换技术指标为增加座舱余压减少至0的飞行过程时间、增加飞机保持正常压力的空域范围[2，4]，同时减少飞行状态转换时压力调节超调量及减少稳态调整时间。

如图7所示，模糊PID控制策略情况下的战机在俯冲开始后，座舱压力增速逐渐增大，整个过程的座舱压力的平均增压速度为0.558 kPa/s。在俯冲时间为46 s至47 s之间时座舱余压为0，对应高度为3 250 m至3 500 m，之后出现负压，座舱压力开始超限。本文方法控制下的战机在俯冲开始后座舱压力增速较快，整个过程的座舱压力的平均增压速度为0.610 kPa/s。同时，在俯冲至平飞状态时，座舱余压仍不为0。在飞行状态转换时，本文方法相比于不增加专家控制的控制策略，达到稳态的时间提前了4 s，相比于文献[4]的模糊PID控制方法提前了7 s，具体评价指标对比如表3所示。可见本文方法在俯冲时，提高了座舱压力的增压速度，增加了空域范围；在高速俯冲转为平飞时，减少了达到稳态的时间，改善了座舱压力系统的动态性能。

图7 仿真实验对比效果图

表3 评价指标对比

5 结 语

为解决新型大机动战机高空高速俯冲情况下座舱压力增速慢及转为平飞状态时座舱压力调节稳态时间长的问题，本文提出一种飞机座舱压力专家模糊PID预控方法，通过对比仿真实验分析验证了本文方法的有效性。在战机高速俯冲情况下，本文利用压调系统时间延迟及飞机高度变化率改进的模糊PID控制策略能够提高座舱压力增压速度，提高俯冲时间及战机空域范围；在飞行状态转换时，本文提出的专家模糊PID预控方法能够利用知识库改进模糊PID控制策略，通过减少控制策略调整时间来达到减少稳态调整时间的目的。