工程技术研究2021年第6期
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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
摘 要：文章针对冰风洞对稳风速控制系统控制性能的高要求，根据实测的冰风洞吹风试验数据，研究了一种基于专家
系统的自整定PID 控制方法，并进行了冰风洞吹风试验验证。试验结果表明，该方法具有较高的控制精度，是非常有效的。关键词：稳风速控制系统；专家PID 控制；冰风洞
中图分类号：TP273
文献标志码：A
文章编号：2096-2789（2021）06-0056-02
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：
1
0211k k
s p M
k p −
=− −
（1）
式中：
p 0为稳定段总压；p s 为试验段静压；k 为比热比，k =C p /C v ，对于空气k =1.4。
a kRT =
（2）V =M ×a
（3）
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 (p 0,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K p ，K I ，K D 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：
()()(1)e k e k e k ∆=−−
（4）(1)(1)(2)e k e k e k ∆−=−−−
（5）偏差增量的增量：
()()(1)()2(1)(2)e k e k e k e k e k e k ∆=∆−∆−=−−+−
（6）再设定偏差的一个极大值，记为M max ；设定一个偏差
较大的中间值，记为M mid ；设定一个偏差的极小值，记为M min 。根据以上偏差、偏差增量以及偏差极值的设定，分析如下。
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2021年第6期工程前沿
（1）如果max ()e k M ＞，此时说明偏差的绝对值很大，为了迅速调整偏差，应该按最大值（或最小
值）设定控制器输入，使偏差绝对值以最大的速度减小。
，
此时其实是开环控制，是一种对偏差出现极限情况的快速响应。
（2）如果max ()e k M ≤，这种情况需要根据更具系统的变化趋势来分析，根据具体的情况实施不同的控制方式，可引入偏差增量来协助分析。①当()()0e k e k ∆＞或()0e k ∆=
时，说明偏差在向偏差绝对值增大的方向变化，或偏差是
某一恒值，此时再进一步判断偏差的绝对值与偏差的中间值M mid 之间的关系。如果mid ()e k M ＞，说明偏差也较大，为了让偏差绝对值向减小的方向变化，应该令控制器实施较强的控制作用来快速减小偏差绝对值。
{}1()(1)()()()i p d U k U k k K e k K e k K e k =−++∆+∆
（7）
如果mid ()e k M ≤，说明虽然偏差的绝对值在增大，但
偏差绝对值本身不算大，可以考虑控制器实施一般的控制作用，只需满足扭转偏差的变化趋势，使偏差绝对值减小即可。
()(1)()()()i p d U k U k K e k K e k K e k =−++∆+∆
（8）②当()()0e k e k ∆＜且()(1)0e k e k ∆∆−＞或者()0e k =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
()(1)U k U k =−
（9）
③当()()0e k e k ∆＜且()(1)0e k e k ∆∆−＜时，说明偏差处于极限状态。如果此时偏差的绝对值较大，mid ()e k M ＞，
可以考虑实施较强控制作用。
1()(1)()i U k U k k K e k =−+ （10）
如果此时偏差绝对值较小，mid ()e k M ＜，可以考虑实施较弱控制作用。
2()(1)()i U k U k k K e k =−+
（11）
式中：
k 1为增益放大系数，取大于1的值；k 2为增益抑制系数，取大于0而小于1的值。
（3）如果min ()e k M ＜，说明偏差绝对值很小，这种偏差有可能是系统静差引起的，此时必须引入积分作用，实施PID 控制或者PI 控制。
()(1)()()i p U k U k K e k K e k =−++∆
（12）
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。
实际风速（m /s ）
时间（s）
图2 风速在专家PID 控制下的效果
电机转速（r /m i n ）
时间（s）
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。
参考文献：
[1] 呼文豹，郭锐锋，王志成.基于专家PID 控制器的伺服系统速
度控制研究[J].计算机工程与设计,2013,34(7):2372-2376.[2] 王浩坤，尚立.基于专家PID 控制的永磁同步电机调速系
统[J].组合机床与自动化加工技术,2007(12):43-45.[3] 林建平，吴必瑞，谢善娟.永磁同步电动机转速专家控制
[J].洛阳师范学院学报,2013,32(2):56-58.[4] 刘金琨.先进PID 控制及其MATLAB 仿真[M].北京：电子工
业出版社,2003.[5] 蔡自兴.智能控制导论[M].北京：中国水利水电出版社,2007.
作者简介：单永正，男，博士，高级工程师，研究方向为风洞
测控技术。
