一种基于专家PID控制的冰风洞稳风速控制方法

单永正，张旭超，姚惠元

中国航空工业空气动力研究院，黑龙江 哈尔滨 150001

在风洞试验过程中，洞内风速是否稳定将直接影响试验结果的准确性，尤其对于冰风洞，在试验过程中不可避免地会在拐角导流片、阻尼网等处结冰导致风洞内阻塞度显著增加，引起风速明显下降，因此稳风速控制系统是冰风洞测控系统中的重要组成部分。由于冰风洞稳风速控制系统本身缺乏精确的数学模型，模型参数随工况变化而改变，虽然传统的PID调节器结构简单、调整方便，但当控制对象不同时，控制器的参数难以自适应调整，且难以对一些复杂的过程和参数慢时变系统进行有效控制[1]。为了保证流场品质，高效完成试验，需要提出一种计算机控制的智能闭环调速系统。因此，文章提出一种基于专家PID控制的稳风速控制策略，该策略针对冰风洞稳风速控制系统的特点，对专家经验数学化，不依赖数学模型来整定控制参数，将专家系统决策与PID算法结合在一起，能针对不同情况选择不同的策略。

1 稳风速系统测控原理

1.1 风速的计算

风洞运行时的马赫数由公式（1）决定：

式中：p0为稳定段总压；ps为试验段静压；k为比热比，k=Cp/Cv，对于空气k=1.4。

式中：a为声速；V为风速。

由此可见，风速是稳定段总压、试验段静压和温度的函数，即V=f(p0,ps,T)。

1.2 控制原理

常规PID控制原理简单，使用方便，鲁棒性较强，在理论上有成熟的稳定性设计和参数整定方法，不过常规调节器的控制参数具有固定形式，不易在线调整，且参数整定过程长，参数间相互影响，折中后难以收到最优效果。专家系统则是一个智能计算机程序，含有大量专家水平的知识和经验，能模拟人类专家的思维过程进行推理从而自主地选择控制算法，配置相关参数。与专家系统不同，专家控制更多的是做独立的、实时的、在线的控制，而不仅是一种离线的、辅助性质的工作，因此专家控制对可靠性和抗干扰性的要求更高[2-3]。

冰风洞稳风速控制原理如图1所示。通过风洞中的压力和温度传感器反馈稳定段总压、试验段静压和温度，经过公式（1）计算得到实际风速，再与目标风速相减得到偏差量，通过专家PID控制器给出执行机构的输入（电机转速）。

图1 冰风洞稳风速控制原理图

控制器由两部分组成。（1）经典PID控制器：直接对被控对象进行闭环控制，并且Kp，KI，KD三个参数为在线整定。（2）专家决策：根据系统的运行状态，调节PID控制器的参数[4]。

专家PID控制就是基于被控对象和控制规律的各种知识，而不需要知道被控对象的精确模型，利用专家经验来设计PID参数[5]。假设当前为第k采样，当前偏差为e(k)，同样前一采样时刻的偏差为e(k-1)，而前两个采样时刻的偏差为e(k-2)，则可以得到两次的偏差增量：

偏差增量的增量：

再设定偏差的一个极大值，记为Mmax；设定一个偏差较大的中间值，记为Mmid；设定一个偏差的极小值，记为Mmin。根据以上偏差、偏差增量以及偏差极值的设定，分析如下。

② 当e(k)∆e(k)＜0且 ∆e(k)∆e(k−1)＞0或 者e(k)=0时，说明偏差的绝对值是收敛的，或者已经达到平衡状态，此时保持控制器输出不变即可。即

③当e(k)∆e(k)＜0且 ∆e(k)∆e(k−1)＜0时，说明偏差处于极限状态。如果此时偏差的绝对值较大，，可以考虑实施较强控制作用。

式中：k1为增益放大系数，取大于1的值；k2为增益抑制系数，取大于0而小于1的值。

2 算法设计

根据前文的分析已经得到了基本的规则库同时也有相应的推理机，进而实现了一个专家PID控制器，这是一种专家规则直接与PID算法相结合的直接型专家控制器。针对冰风洞试验要求，再根据专家经验选取各参数，得到最终算法。

3 实例与结果分析

针对某冰风洞的一次吹风调试，在试验段静温为-33℃，目标风速为80m/s的条件下，开启喷雾结冰系统，运用文章设计的专家PID控制器来控制冰风洞的风速。相同时段内风速和电机转速的曲线如图2、图3所示。

图2 风速在专家PID控制下的效果

图3 专家PID控制下的电机转速曲线

由图3可以看出，由于在低温环境中开启喷雾，在试验中结冰造成阻塞度增加，为了保证风速稳定，必然要不断提高电机转速；图2则表明在文章设计的专家PID控制算法下，稳风速控制效果良好，在风洞内堵塞度不断增大的情况下，风速波动很小，完全满足试验需求。

4 结束语

从试验曲线来看，将文章设计的方法应用在某冰风洞稳风速控制系统中能够满足型号试验对稳风速的高品质要求，具有良好的工业应用前景。改进专家PID控制器，进一步提高其计算速度，优化控制参数，将是下一步工作的发展方向。同时，文章方法还可以类比地应用于其他回流式低速风洞的稳风速控制系统。