飛機(jī)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)控制仿真簡(jiǎn)析

史素清+路高社+梁雙+周月玲

摘 要 飛機(jī)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)既可以為飛行員和空乘人員提供相對(duì)舒適的座艙環(huán)境，也可以在為電子設(shè)備提供冷源的基礎(chǔ)上，為設(shè)備的優(yōu)良工作溫濕度環(huán)境提供保障。計(jì)算機(jī)仿真分析是對(duì)飛機(jī)在空中飛行狀態(tài)進(jìn)行模擬的有效方式。文章主要從飛機(jī)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)原理入手，對(duì)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的控制仿真重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞 空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)；仿真分析；故障仿真；PID算法；PID調(diào)節(jié)參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）205-0117-02

在各種飛行環(huán)境下為飛行員、旅客和空勤人員的生活環(huán)境提供保障，是飛機(jī)環(huán)境控制的主要目標(biāo)。從制冷機(jī)理的角度來(lái)看，飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)主要由空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)和蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)組成?？諝庋h(huán)制冷系統(tǒng)是較為常用的飛機(jī)環(huán)境控制方式。系統(tǒng)重量輕、附件數(shù)量少、維護(hù)成本低是這一系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。傳統(tǒng)PID與專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)之間的融合，可以有效促進(jìn)空氣循環(huán)制冷的控制品質(zhì)的提升。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)空氣循環(huán)系統(tǒng)會(huì)表現(xiàn)出朝著綜合數(shù)據(jù)交換和綜合控制方面發(fā)展的特點(diǎn)。

1 飛機(jī)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)工作原理

來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的高溫高壓空氣經(jīng)壓力調(diào)節(jié)安全閥與流量控制活門(mén)后，進(jìn)入制冷組件的初級(jí)換熱器，在初級(jí)換熱器里與沖壓空氣進(jìn)行熱交換，被冷卻的氣體從初級(jí)換熱器出來(lái)進(jìn)入制冷組件中的壓縮機(jī)，被壓縮成高溫高壓的氣體流入次級(jí)換熱器再次由沖壓空氣冷卻，然后通過(guò)高壓水分離器、回?zé)崞?、冷凝器與渦輪，氣體在渦輪中膨脹后降溫，降溫的冷氣與來(lái)自熱路區(qū)域溫控活門(mén)的熱空氣經(jīng)溫控系統(tǒng)監(jiān)控處理后按一定比例混合，最終以適宜的溫度供入座艙[ 1 ]。

2 飛機(jī)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)主要部件建模與仿真要求

2.1 空氣循環(huán)機(jī)

在建模時(shí)，由于三輪空氣循環(huán)機(jī)中渦輪、壓氣機(jī)與風(fēng)扇動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間很短，其滯后對(duì)系統(tǒng)影響較小，在工程計(jì)算中可以忽略，因此，采用其穩(wěn)態(tài)特性建立數(shù)學(xué)模型即可。

三輪空氣循環(huán)機(jī)組的功率匹配仿真，在初始轉(zhuǎn)速下，首先應(yīng)計(jì)算出渦輪的輸出功和風(fēng)扇的耗功，將兩者的功率之差作為輸入量給壓氣機(jī)，壓氣機(jī)計(jì)算出該輸入功條件下的新的轉(zhuǎn)速與輸入轉(zhuǎn)速對(duì)比，并將該轉(zhuǎn)速再一次輸出給渦輪和風(fēng)扇進(jìn)行迭代計(jì)算，直到三者轉(zhuǎn)速和功率滿(mǎn)足條件為止。

2.2 換熱器

換熱器因熱交換過(guò)程存在水蒸氣的相變過(guò)程，對(duì)換熱器出口溫度影響很大，干態(tài)換熱效率計(jì)算方法不再適用，宜選用非線性大系統(tǒng)分析的分塊參數(shù)集結(jié)法，即認(rèn)為流動(dòng)氣體是一維的，忽略氣體與壁面的縱向熱傳導(dǎo)，每個(gè)單元模塊內(nèi)認(rèn)為壁面溫度只是時(shí)間函數(shù)，然后采用能量方程推導(dǎo)熱交換器的數(shù)學(xué)模型。

2.3 系統(tǒng)控制

系統(tǒng)控制采樣PID算法確定后，需對(duì)PID的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。參數(shù)調(diào)整過(guò)程可以讓一些動(dòng)態(tài)指標(biāo)得到優(yōu)化，也會(huì)使部分指標(biāo)表現(xiàn)出惡化等問(wèn)題，因而針對(duì)不同控制對(duì)象的不同控制要求，需要在系統(tǒng)整定過(guò)程中對(duì)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行關(guān)注。一般情況下，飛機(jī)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)中所包含的表征系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)主要包含了以下內(nèi)容：

1）衰減比和衰減率。

2）最大動(dòng)態(tài)偏差和超調(diào)量。

3）殘余偏差。

4）調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率。

5）誤差積分指標(biāo)。

一般情況下Z-N參數(shù)整定方法是空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)仿真PID算法中常用的參數(shù)整定方法。這種控制方法以被控制對(duì)象的控制通道階躍相應(yīng)為主要控制依據(jù)，并借助一些經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)解控制器的最佳參數(shù)進(jìn)行確定。

2.4 系統(tǒng)仿真結(jié)果

在系統(tǒng)建模，對(duì)參數(shù)匹配完成后，對(duì)制冷系統(tǒng)仿真結(jié)果應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注在隨飛機(jī)飛行速度和高度變化時(shí)，引氣流量的波動(dòng)、冷邊沖壓空氣流量與溫度變化對(duì)制冷組件出口氣體溫度的影響。

正常系統(tǒng)冷邊沖壓空氣流量與溫度變化對(duì)初級(jí)散熱器與壓縮機(jī)出口溫度影響較大，而對(duì)渦輪出口溫度的影響則很小。

對(duì)座艙溫控系統(tǒng)，則應(yīng)關(guān)注座艙溫度傳感器、供氣管路溫度傳感器與區(qū)域溫控活門(mén)響應(yīng)的匹配性，避免供氣溫度大幅度階躍跳變、溫控活門(mén)開(kāi)度超調(diào)或滯后。

3 飛機(jī)空氣循環(huán)系統(tǒng)的故障仿真

3.1 FCV故障仿真

循環(huán)系統(tǒng)的故障仿真也是飛機(jī)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)仿真研究中不可忽視的內(nèi)容。FCV系統(tǒng)是控制通往空調(diào)組件的空氣流量，發(fā)揮組件關(guān)斷作用的重要工具。

通過(guò)FCV故障仿真，設(shè)定在某個(gè)時(shí)間段組件活門(mén)發(fā)生故障，檢測(cè)熱氣流量是否增大，渦輪出口溫度與FCV故障前對(duì)比是否偏高，仿真結(jié)果與實(shí)際的故障結(jié)果是否一致。熱氣流量增加、制冷組件出口溫度升高是FCV故障的主要表現(xiàn)形式。

3.2 熱交換器故障仿真

熱交換器也是空氣循環(huán)機(jī)系統(tǒng)中的重要部件。熱交換器的可靠性可以被看作是飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)的可靠性的主要影響因素。隨著循環(huán)制冷系統(tǒng)工作時(shí)間增加，空氣中雜質(zhì)在熱交換器中的積累，出現(xiàn)熱交換器氣流通道截面變窄，熱交換器出現(xiàn)堵塞或效率降低問(wèn)題。

在初級(jí)熱交換器、壓氣機(jī)處于正常工作狀態(tài)的情況下，模擬假定某個(gè)時(shí)間段次級(jí)熱交換器出現(xiàn)堵塞問(wèn)題，檢測(cè)熱交換器的工作效率是否有所降低，由此而引發(fā)的渦輪出口溫度是否升高。

換熱器堵塞實(shí)際表現(xiàn)為換熱效率下降，制冷組件渦輪出口溫度升高[2]。

4 飛機(jī)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)控制的實(shí)踐方法

4.1 計(jì)算機(jī)控制的PID算法

系統(tǒng)在手動(dòng)切換或自動(dòng)切換條件下，PID給系統(tǒng)帶來(lái)的沖擊相對(duì)較小。

在偏差長(zhǎng)期存在的情況下，輸出變量的積累會(huì)讓被控對(duì)象達(dá)到極限位置。

在偏差處于正負(fù)編號(hào)狀態(tài)的情況下，增量輸出會(huì)隨之而改變方向，因此，空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的電動(dòng)控制系統(tǒng)通常采用PID增量式控制算法。

4.2 數(shù)字式PID調(diào)節(jié)參數(shù)的整定

參數(shù)整定環(huán)節(jié)是根據(jù)一定規(guī)則，讓數(shù)字式控制系統(tǒng)輸出相應(yīng)滿(mǎn)足特定要求的參數(shù)調(diào)節(jié)方式。簡(jiǎn)單近似準(zhǔn)則和精確準(zhǔn)則是數(shù)字式PIN調(diào)節(jié)參數(shù)的主要整定準(zhǔn)則。

在整定離散PID控制參數(shù)的過(guò)程中，還需要對(duì)采樣周期的影響進(jìn)行關(guān)注。基于系統(tǒng)臨界振蕩參數(shù)的閉環(huán)整定方法是數(shù)字式PID調(diào)節(jié)參數(shù)整定過(guò)程中常用的整定方法，在這一算法的應(yīng)用過(guò)程中，首先需要對(duì)最小的采樣周期進(jìn)行確定，并要將數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)置為純比例控制。

數(shù)字離散控制的采樣周期的長(zhǎng)短對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響，是在參數(shù)整定過(guò)程中所要關(guān)注的重點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文主要從飛機(jī)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的原理入手，對(duì)循環(huán)制冷系統(tǒng)的控制與仿真關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了解析探討，可對(duì)環(huán)控系統(tǒng)具體仿真提供借鑒幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]壽榮中，何慧姍.飛行器環(huán)境控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[2]何永勃，楊燕輝，王麗哲.飛機(jī)空氣循環(huán)機(jī)的建模與故障仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2012，29（8）：74-75.endprint