基于ATS空气涡轮起动机气源分段PID调节方法的应用

技术领域

本发明属于航空发动机技术领域，具体涉及一种基于ATS空气涡轮起动机气源分段PID调节方法的应用。

背景技术

飞机动力系统包括主动力系统和辅助动力系统。前者指安装在飞机上的发动机，为飞行提供主要动力；后者是一个综合系统，作为飞机的重要组成部分，主要负责地面或空中起动发动机，提供环控、应急等动力，关系简图如图2所示。在辅助动力系统中，起动机一直是其中一个重要的部件，空气涡轮起动机是航空发动机的起动装置之一，其特点是结构简单、重量轻、功率大。空气涡轮起动机工作时需要地面提供压力稳定的气源，起动前，开启供气电磁阀向系统供气，通过调节供气阀调节供气压力如图3所示，这时就要求电磁阀能够即快速又稳定的进入目标气压，常规方法采用labview PID模块进行电磁阀开度的控制，此方法提升调节响应速度，就会影响系统稳定性，满足稳定性，调节时间又无法满足实验需要，不能同时兼顾。

在机电控制系统的设计中，PID控制是生产过程中的一种闭环控制方法，而PID控制器则是在工业控制之中常见的一种反馈回路补件，又分为比例单元P、积分单元I和微分单元D。PID控制原理简单、使用方便、适用性强及鲁棒性强，而且易于整定。同时，其控制品质对被控对象的变化并不敏感，因此得到广泛的应用。常规PID控制参数的最佳调整还未实现自动化，依靠人工试凑的整定方法不仅需要丰富的经验和技巧，而且十分费时。同时，在实际控制系统控制过程中，由于噪声、负载扰动和其他一些环境条件变化的影响，受控过程参数、模型结构均将发生变化。在这种情况下，采用常规PID控制器难以获得满意的控制效果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了基于ATS空气涡轮起动机气源分段PID调节方法的应用，为了实现ATS气源能够既快速、又稳定的调节至目标气压而提出的一种方案。

本发明通过以下技术方案予以实现：

基于ATS空气涡轮起动机气源分段PID调节方法的应用，包括如下步骤：

步骤A：设置目标气源，使用labview PID高级自整定模块，得到一个常规PID参数-细调PID；

步骤B：先调整常规PID中的P值，使其以最短时间越过目标气压15%左右后开始回落，然后添加条件功能，简称粗调PID，在当前气压与目标气压压差10Kpa时，将当前PID值替换为常规PID；

步骤C：从试验启动开始进行整体调试，不断优化修改粗调PID、细调PID，使气压运行曲线在最短时间内稳定进入PID死区；

步骤D：如果效果不佳，可再进行分段。

优选的，所述步骤A中的操作方法具体为：设定气源目标压力，使用labview PID高级自整定模块，通过系统长时间自整定调整，得到一个常用PID值，分段PID值在此基础上进行调整。

优选的，所述步骤B中的操作方法具体为：设定气源目标压力值，调节PID中比例阀P值，使实测气压值的第一个波峰值越过目标气压15%左右左右后开始回落，此时气压调节波形类似于阻尼震荡图，然后添加条件功能，简称粗调PID，在当前气压与目标气压压差10Kpa时，将当前PID值替换为常规PID。

优选的，所述步骤C中的操作方法具体为：设定气源目标压力值，从试验启动开始进行整体调试，根据PID特性进行不断优化、修改粗调PID、细调PID，使气压运行曲线在最短时间内稳定进入PID死区。

优选的，所述步骤D中的操作方法具体为：一般情况下，分段PID调节采用粗调、细调两段即可实现气源目标快速、稳定进入PID死区；若两段效果不佳，可采取增加分段方式。

优选的，所述分段PID调节方法的应用，其主要包括气源装置、供气系统、电系统、齿轮装置和电力测功机等，其中所述电系统主要包括各类型传感器、润滑系统、采集卡和IO控制卡等。

优选的，所述ATS空气涡轮起动机性能在试验台进行测试时，其测控系统主要包括硬件和软件两部分；

所述硬件采用NI-RT系统，实时采集各类型传感器信号以及IO量控制；

所述软件采用Labview编程，调用labview PID工具包等组成；

所述NI-RT系统通过网口接收上位机命令、上传采集到的实时信号至上位机，所述上位机与所述电力测功机通过网口进行数据交互。

优选的，所述ATS空气涡轮起动机性能在试验台进行测试时，其工作原理包括如下内容：

所述上位机通过网络与气源站进行命令控制，可以进行压力、温度设置；试验开始前，上位机首先设定气源温度目标值、气源压力，点击试验准备，放空阀打开（开度为多次试验值），齿轮箱滑油泵、刹车泵、产品滑油泵、冷却水设备开启，测试系统根据设定气源压力对主调节阀进行PID分段调节，待气源压力稳定到设定值时；点击开始试验按钮后，先关闭放空阀并延时650ms后打开进气阀及产品电磁铁开关，此时ATS空气涡轮起动机开始工作；气路切换过程中，实时气压偏离气源压力，PID进入调节区域后快速调节并稳定到PID死区，

ATS空气涡轮起动机根据转速（正常启动≤5600r/min）或运行时间（≤1min），自动停止试验；打开放空阀、关闭产品电磁铁、关闭进气阀，打开冷吹及电涡流刹车，试验结束。

优选的，在点击所述开始试验按钮后，PID在2s（200ms*10）内不对主调节阀开度进行调整，避免因管路切换导致压力大范围波动而引起系统不稳定。

本发明的有益效果为：

解决了ATS测试过程中，使用常规PID调节出现调节时间长、无法稳定在PID死区内的问题，为ATS测试中气源能够快速、稳定的调节至目标气压提出良好的改进方案。

而且本发明中ATS气源在调节过程中，使用分段方法，逐步实现目标气压调节；使得当前气压快速接近目标气压后，又能稳定在PID死区从而进行缓慢调节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中 ATS空气涡轮起动机测试系统图；

图2为本发明中ATS空气涡轮起动机起动系统原理简图；

图3为本发明中ATS空气涡轮起动机性能试验台测控装置图；

图4为本发明中PID分段调节框图。

图中：101-上位机、102-NI-RT系统、103-气源装置、104-电系统、105-电力测功机、106-齿轮装置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参阅图1-4所示：本发明提供了一实施例，具体公开提供了一种基于ATS空气涡轮起动机气源分段PID调节方法的应用的技术方案，包括如下步骤：

步骤A：设置目标气源，使用labview PID高级自整定模块，得到一个常规PID参数-细调PID；

步骤B：先调整常规PID中的P值，使其以最短时间越过目标气压15%左右后开始回落，然后添加条件功能，简称粗调PID，在当前气压与目标气压压差10Kpa时，将当前PID值替换为常规PID；

步骤C：从试验启动开始进行整体调试，不断优化修改粗调PID、细调PID，使气压运行曲线在最短时间内稳定进入PID死区；

步骤D：如果效果不佳，可再进行分段。

请继续参阅图1-4所示：具体的，所述步骤A中的操作方法具体为：设定气源目标压力，使用labview PID高级自整定模块，通过系统长时间自整定调整，得到一个常用PID值，分段PID值在此基础上进行调整。

具体的，所述步骤B中的操作方法具体为：设定气源目标压力值，调节PID中比例阀P值，使实测气压值的第一个波峰值越过目标气压15%左右左右后开始回落，此时气压调节波形类似于阻尼震荡图，然后添加条件功能，简称粗调PID，在当前气压与目标气压压差10Kpa时，将当前PID值替换为常规PID。

具体的，所述步骤C中的操作方法具体为：设定气源目标压力值，从试验启动开始进行整体调试，根据PID特性进行不断优化、修改粗调PID、细调PID，使气压运行曲线在最短时间内稳定进入PID死区。

具体的，所述步骤D中的操作方法具体为：一般情况下，分段PID调节采用粗调、细调两段即可实现气源目标快速、稳定进入PID死区；若两段效果不佳，可采取增加分段方式。

具体的，所述分段PID调节方法的应用，其主要包括气源装置、供气系统、电系统、齿轮装置和电力测功机等，其中所述电系统主要包括各类型传感器、润滑系统、采集卡和IO控制卡等。

具体的，所述ATS空气涡轮起动机性能在试验台进行测试时，其测控系统主要包括硬件和软件两部分；

所述硬件采用NI-RT系统，实时采集各类型传感器信号以及IO量控制；

所述软件采用Labview编程，调用labview PID工具包等组成；

所述NI-RT系统通过网口接收上位机命令、上传采集到的实时信号至上位机，所述上位机与所述电力测功机通过网口进行数据交互。

具体的，所述ATS空气涡轮起动机性能在试验台进行测试时，其工作原理包括如下内容：

所述上位机通过网络与气源站进行命令控制，可以进行压力、温度设置；试验开始前，上位机首先设定气源温度目标值、气源压力，点击试验准备，放空阀打开（开度为多次试验值），齿轮箱滑油泵、刹车泵、产品滑油泵、冷却水设备开启，测试系统根据设定气源压力对主调节阀进行PID分段调节，待气源压力稳定到设定值时；点击开始试验按钮后，先关闭放空阀并延时650ms后打开进气阀及产品电磁铁开关，此时ATS空气涡轮起动机开始工作；气路切换过程中，实时气压偏离气源压力，PID进入调节区域后快速调节并稳定到PID死区，

ATS空气涡轮起动机根据转速（正常启动≤5600r/min）或运行时间（≤1min），自动停止试验；打开放空阀、关闭产品电磁铁、关闭进气阀，打开冷吹及电涡流刹车，试验结束。

具体的，在点击所述开始试验按钮后，PID在2s（200ms*10）内不对主调节阀开度进行调整，避免因管路切换导致压力大范围波动而引起系统不稳定。

图1为ATS空气涡轮起动机性能试验台测控系统图，包含硬件和软件两部分，硬件采用NI-RT系统，实时采集各类型传感器信号以及IO量控制；软件采用Labview编程，调用labview PID工具包等组成。NI-RT系统通过网口接收上位机命令、上传采集到的实时信号至上位机，上位机与电力测功机通过网口进行数据交互。

图2为ATS空气涡轮起动机起动系统原理简图。通常，飞机动力系统包括主动力系统和辅助动力系统。前者指安装在飞机上的发动机，为飞行提供主要动力;后者是一个综合系统，作为飞机的重要组成部分，主要负责地面或空中起动发动机，提供环控、应急等动力。

辅助动力系统具有功率输出和动力组件两种工作状态，可以满足发动机或飞机不同工作状态需求。例如，在发动机不工作时，辅助动力系统动力组件状态可以直接向飞机提供所需的常规动力，降低发动机使用成本，提高飞机使用维护性。发动机在空中停车时，辅助动力系统具备再次起动发动机的能力，是飞机安全使用的屏障。

按组成方式不同，辅助动力系统可分为发动机起动装置ESU、辅助动力装置APU、应急动力装置EPU、组合动力装置IPU、飞机附件机匣等种类。在辅助动力系统中，起动机一直是其中一个重要的部件。空气涡轮起动机（ATS）直接安装在飞机飞附机匣上，起动机输出功率直接作用在发动机起动传动链上来起动发动机。应用空气涡轮起动机的飞机辅助动力系统根据是否存在空气管理系统，主要划分两大类，分别为组合动力系统（IPU）＋空气涡轮起动机和辅助动力装置（APU）＋空气涡轮起动机。

图3为ATS空气涡轮起动机性能试验台测控装置图，上位机通过网络与气源站进行命令控制，可以进行压力、温度设置；试验开始前，上位机首先设定气源温度目标值、气源压力，点击试验准备，放空阀打开（开度为多次试验值），齿轮箱滑油泵、刹车泵、产品滑油泵、冷却水等设备开启，测试系统根据设定气源压力对主调节阀进行PID分段调节，待气源压力稳定到设定值时；点击开始试验按钮后，先关闭放空阀并延时650ms后打开进气阀及产品电磁铁开关，此时ATS空气涡轮起动机开始工作；气路切换过程中，实时气压偏离气源压力，PID进入调节区域后快速调节并稳定到PID死区，

ATS空气涡轮起动机根据转速（正常启动≤5600r/min）或运行时间（≤1min），自动停止试验；打开放空阀、关闭产品电磁铁、关闭进气阀，打开冷吹及电涡流刹车，试验结束。

图4为PID分段调节框图，当点击开始试验按钮后，PID在2s（200ms*10）内不对主调节阀开度进行调整，避免因管路切换导致压力大范围波动而引起系统不稳定。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。