基于地面橋載空調的飛機客艙溫度系統(tǒng)建模及控制

李宗帥　林家泉　王修巖

摘 要： 針對基于地面橋載空調的民航飛機客艙溫度控制中的系統(tǒng)建模問題，采用基于機理建模以及參數(shù)辨識相結合的方法，建立了系統(tǒng)的數(shù)學模型，并采用模糊PID進行了仿真控制實驗。首先詳細分析橋載空調給飛機客艙制冷的工作原理；在此基礎上，通過線性化假設，機理建模以及參數(shù)辨識相結合的方法，建立系統(tǒng)模型；最后采用模糊PID控制算法，進行閉環(huán)控制仿真實驗，實驗結果證明了系統(tǒng)模型的合理性。該模型對從事飛機地面空調控制的研究具有參考意義。

關鍵詞： 飛機地面空調； 客艙； 系統(tǒng)建模； 模糊PID； 溫度控制

中圖分類號： TN954+.2?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0005?05

Abstract： In allusion to the modeling of civil aviation aircraft cabin temperature control system based on airport bridge?borne air conditioner， the mathematic model of the system is built by using the method based on the combination of mechanism modeling and parameter identification， and the simulation experiment is carried out by using the fuzzy PID control. The working principle of the bridge?borne air conditioner refrigeration for aircraft cabins is elaborated. On this basis， the system model is constructed by using the method of combining linear assumption， mechanism modeling and parameter identification. The closed?loop control simulation experiment was carried out by using the fuzzy PID control algorithm. The experimental results prove the rationality of the system model. The model has reference significance for ground air conditioner control research.

Keywords： airplane ground air conditioner； cabin； system modeling； fuzzy PID； temperature control

0 引 言

節(jié)能減排工作是目前我國經(jīng)濟發(fā)展過程中所要面臨的一個重要問題，加強節(jié)能減排是提高生態(tài)文明以及經(jīng)濟質量的根本途徑，國家陸續(xù)出臺了相應的政策，鼓勵支持節(jié)能減排。對此，中國民航局出臺了《關于加快推進節(jié)能減排工作的指導意見》，明確了全行業(yè)加快推進節(jié)能減排工作的指導思想、主要原則和工作目標。采用機場地面橋載空調替代飛機APU是民航業(yè)節(jié)能減排的重要內容之一。減少APU的使用，減少了燃油的消耗量以及噪聲，可以獲得良好的空氣質量和環(huán)境，從而提高機場服務質量，具有重要的社會和經(jīng)濟意義[1?2]。

然而，在推廣“橋載設備替代機載APU”節(jié)能方法的過程中，調研結果反映出部分機場的一些問題，導致APU“關不掉”，并且在使用過程中還存在一些問題，致使節(jié)能效果不能達到最優(yōu)。問題主要集中在以下兩點：

（1） 如果不能對橋載空調設備進行優(yōu)化控制，飛機客艙的熱舒適度差。

（2） 滿足客艙熱舒適性前提下的能耗最優(yōu)問題。

目前有的國內大部分機場為了單純追求空調制冷或者制熱效果，而不考慮過站飛機機型和橋載空調型號的差異，控制方式單一，白白消耗了大量電能，沒有達到能耗的最優(yōu)化。

因此在飛機客艙熱舒適性的前提下，實現(xiàn)橋載空調的優(yōu)化控制是關鍵問題。本文作者所在課題組對該問題進行了研究，在文獻[3]中采用CFD方法，考慮客艙構型、人體以及周圍環(huán)境的影響，對A320飛機客艙熱舒適性的數(shù)值模擬進行了研究，得出橋載空調送風口速度與客艙熱舒適性評價指標ADPI的關系。圖1（a）為懸掛式飛機地面橋載空調系統(tǒng)，圖中黃色的軟管為送風管，將連接至飛機機身下部的進風口處，如圖1（b）所示，長度一般在30～40 m。進而通過橋載空調為飛機客艙制冷或者制熱。

優(yōu)化控制的前提是需要對系統(tǒng)的數(shù)學模型有深刻的研究，然而由于系統(tǒng)本身的非線性、不確定性等因素的影響，模型的建立非常困難。目前還沒有發(fā)現(xiàn)對地面空調為飛機客艙制冷制熱建模相關方面研究的報道。本文詳細給出了飛機地面空調的基本結構以及為飛機客艙制冷制熱的工作原理。在此基礎上通過機理建模與系統(tǒng)辨識的方法，建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，為飛機地面橋載空調的優(yōu)化控制研究提供參考。

1 橋載空調的基本結構

及工作原理

飛機地面橋載空調一般置于廊橋之下，利用相對較長的送風管道，通過飛機機身下面的外部空調專用接口，為風機客艙送風。一般具有通風、除

濕、制冷以及制熱的功能，為客艙乘客以及機務維修人員提供較為舒適的環(huán)境[1?2]。

飛機地面空調有多種形式，常見的有單元式、集中式、混合式以及超低溫式。我國民用機場95%以上是單元式地面空調，集中式有少數(shù)應用，混合式以及超低溫式目前國內機場沒有相關使用的報道[1，4]。單元式地面空調一般由風機、若干冷凝器、若干壓縮機、若干蒸發(fā)器以及控制系統(tǒng)等部分組成，其基本結構如圖2所示。A320飛機國際標準[5]要求外界大氣溫度在38 ℃時，需要制冷時，要求空調出風軟管與飛機接口處的溫度為1.5 ℃，要求在30 min內，使客艙溫度達到27 ℃。當外界氣溫在-23 ℃，需要制熱時，要求空調出風軟管與飛機接口處的溫度為70 ℃，要求30 min內，使客艙的溫度達到21 ℃。endprint

其工作原理是：當需要制冷時，外界空氣通過過濾器過濾，然后經(jīng)過一級蒸發(fā)器、二級蒸發(fā)器、三級蒸發(fā)器、四級蒸發(fā)器，通過層層冷卻，將冷風送入飛機客艙。四級壓縮機可以同時工作，也可以根據(jù)實際需要選擇其中的某一級或幾級工作。制熱時，外部空氣通過進風口處的一級加熱器加熱，然后通過送風機再進入出風口處的加熱器，通過二次加熱，將熱風送入飛機客艙。

2 空調控制系統(tǒng)建模

2.1 系統(tǒng)建模

目前國內機場飛機地面空調的控制均采用開環(huán)的控制方式，沒有實時反饋飛機客艙的溫濕度，進行地面空調的閉環(huán)控制；大多數(shù)是使空調按照單一的方式最大功率來運行，或者按照以往的經(jīng)驗，根據(jù)實際的天氣狀況，對地面空調進行分段式控制。針對此本文設計了閉環(huán)控制系統(tǒng)，機務人員可以在客艙放置適量的無線溫濕度傳感器，飛機客艙的溫濕度實時反饋到計算機控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的方框圖如圖3所示。外部干擾主要是外部大氣的溫濕度以及太陽輻射。

飛機地面空調系統(tǒng)與飛機客艙構成的系統(tǒng)是一個復雜的熱力學系統(tǒng)，還要受到空調外部送風管道以及飛機客艙內部復雜通風管道的影響，具有較大的滯后性、非線性，很難精確地推導出系統(tǒng)的數(shù)學模型。

本文采用機理建模以及參數(shù)辨識相結合的方法來建立整個系統(tǒng)的數(shù)學模型，考慮飛機客艙的特性，將其看作是一個單容的對象，根據(jù)能量守恒定律[6]可得：

2.2 參數(shù)辨識

以A320飛機為例子，單獨考慮外部空調制冷對飛機客艙的影響，根據(jù)國際標準，外界環(huán)境溫度為38 ℃；要求地面空調出風口最大風流量約為4 500 m3/h，最大輸出壓力為3 500 Pa情況下，30 min，客艙溫度降到27 ℃，送風管道與飛機接口處的溫度為1.5 ℃。通過了解，一般冷風從空調出風口到飛機機身下面的空調接口大約需要10 s，再考慮飛機內部送風管道以及客艙容積滯后約為10 s。

初始條件：外部環(huán)境氣溫38 ℃，機艙內的溫度要比外界環(huán)境溫度高一些，假設飛機客艙內的初始溫度為40 ℃。根據(jù)上述數(shù)據(jù)和圖4所示的系統(tǒng)模型辨識方法，得到系統(tǒng)的開環(huán)響應曲線如圖5所示，最后可以求得系統(tǒng)的數(shù)學模型。

3 基于模糊PID的仿真研究

3.1 模糊PID算法

模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，基于現(xiàn)場人員的控制經(jīng)驗，對數(shù)學模型的依賴度不高，對被控對象的參數(shù)變化具有較強的魯棒性，尤其適合于非線性、純滯后比較大系統(tǒng)的控制[7?10]。

從式（3）可以看出系統(tǒng)傳遞函數(shù)具有很強的非線性以及不確定性，并且延時比較大，正好滿足模糊控制的適用對象，因此本文采用模糊PID對系統(tǒng)進行仿真研究。由于機場本身的特殊性，物理實驗目前很難在現(xiàn)場進行。模糊PID控制結構如圖6所示，圖7是本文所建立的基于模糊PID控制器的控制系統(tǒng)仿真模型，圖8是模糊PID部分的具體實現(xiàn)。可見，需要對偏差以及偏差變化率進行模糊化，然后確定[KP]，[KI]以及[KD]的控制規(guī)則，得到它們的模糊規(guī)則表，最后采用加權平均的方法解模糊化得到PID控制器中所需要的[KP]，[KI]以及[KD]。

控制系統(tǒng)中被控對象的典型動態(tài)響應曲線如圖9所示，可以分為AB，BC，CD，DE，EF，F(xiàn)G，GH，HI等部分。

AB部分：偏差e>0，且e逐漸減小；e的變化率大于零，且逐漸減小。這個部分e比較大時應該采用較大的KP，積分系數(shù)KI為0，微分系數(shù)KD為0。隨著偏差e逐漸變小，當接近B點時，應該適當增加KI，KD的值，減小KP的值。

BC部分：偏差e<0，且[e]逐漸增大；e的變化率大于零，且逐漸減小。為了減小超調。

在B點附近KP取較大值，KI取較小值，然后隨著偏差加大，減小KP，增大KI，KD。

CD部分：偏差e<0，且[e]逐漸減小；e的變化率小于零，且逐漸減小。此時，KP應逐漸增加，KI和KD減小。

DE部分：偏差e>0，且e逐漸變大；e的變化率小于零，且逐漸減小。此時，KP應逐漸減小，KI和KD增大。

EF部分：偏差e>0，且e逐漸減小；e的變化率大于零，且逐漸減小。這段類似于AB段接近于B時的情況，只是變化更小，與AB部分相比，KP，KI和KD適當減小。

FG部分：KP應逐漸增加，KI和KD減小。與BC段類似，與BC部分相比，KP，KI和KD要減小。

GH部分：偏差e>0，且e逐漸變大；e的變化率小于零，且逐漸減小。類似于CD段，與CD部分相比，KP，KI和KD要減小。

根據(jù)以上規(guī)則，建立KP，KI和KD的模糊規(guī)則表1～表3所示。三者的論域選擇如下：

3.2 仿真實驗

在實際現(xiàn)場，由于地面空調的制冷量不同，造成了控制的方式也有所不同，典型的A320飛機要求的制冷量在150 kW左右，B767飛機則是210 kW，A380客機則能夠達到640 kW左右，機場在飛機泊位時，盡量安排相應的飛機到具備相應容量地面空調的廊橋下，但是有時也會有變動，這時就會對空調的控制提出更高的要求，實現(xiàn)既節(jié)能又能夠滿足客艙舒適性的需求，在本實驗仿真中，假定地面空調制冷量為163 kW，其風量最大為9 500 m3/h，客艙的初始溫度為40 ℃，給定的參考溫度為25 ℃。仿真實驗結果如圖10所示，從仿真結果可以看出客艙的溫度從初始40 ℃降到27 ℃大約時間在2 000 s，也即30 min，能夠滿足提出的指標要求。考慮系統(tǒng)模型參數(shù)的攝動：分別就滯后時間[τ=20]s，[τ=30]s如圖11所示進行了實驗研究；對T=350，T=410進行了實驗。

4 結 語

本文就飛機地面橋載空調設備的結構以及工作原理進行了詳盡的說明，在此基礎上，忽略各種次要因素，采用機理建模以及實際數(shù)據(jù)相結合的方法，推導出系統(tǒng)的數(shù)學模型，由于模型的非線性以及不確定性，在模型中引入變動系數(shù)。針對該模型的特點，采用模糊PID進行控制仿真實驗，實驗結果證明了模型的合理性。未來研究的重點有兩個：一是模型的進一步細化，考慮空調輸入以及外部大氣的耦合情況，研究模型不確定因素對系統(tǒng)控制的影響；二是針對這種模型，研究適合與該模型的智能控制算法，以取得良好的控制效果。

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