飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組風(fēng)壓、風(fēng)量的調(diào)整

孫 磊 李國(guó)瑞

（江蘇塞孚航空科技有限公司，鎮(zhèn)江 212009）

1 功能需求

飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組是指為停靠在地面的飛機(jī)提供經(jīng)過(guò)過(guò)濾、加壓、除濕以及降濕（或加熱）的新鮮空氣的空調(diào)設(shè)備，一般安裝于登機(jī)橋下部或其附近。飛機(jī)落地停靠后，將機(jī)組的出風(fēng)口通過(guò)送風(fēng)軟管接入飛機(jī)接口處，從而將經(jīng)過(guò)冷卻或加熱后的全新風(fēng)送入飛機(jī)內(nèi)部。通常每一座廊橋或停機(jī)位僅安裝一臺(tái)或兩臺(tái)飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組，但在不同時(shí)段廊橋所停靠飛機(jī)類(lèi)型不同時(shí)，如D類(lèi)機(jī)位停靠C類(lèi)機(jī)型，會(huì)導(dǎo)致空調(diào)機(jī)組類(lèi)型與飛機(jī)類(lèi)型不匹配的情況。即使是同類(lèi)機(jī)型，其所需飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組提供保障的要求也不完全相同。以常用的飛機(jī)型號(hào)為例，A320型號(hào)機(jī)組所需地面空調(diào)機(jī)組支持的最大壓強(qiáng)為3 500 Pa、風(fēng)量為90 kg·min-1，而737-800型號(hào)機(jī)組所需地面空調(diào)支持的最大壓強(qiáng)為135 000 Pa、風(fēng)量為68 kg·min-1。可見(jiàn)，不同機(jī)型對(duì)飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組的要求不同，且A320型號(hào)飛機(jī)對(duì)飛機(jī)地面空調(diào)的出口壓強(qiáng)有較細(xì)致的要求。現(xiàn)行國(guó)內(nèi)飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)C類(lèi)機(jī)組所能提供的機(jī)外靜壓可達(dá)到6 700 Pa[1]，遠(yuǎn)超A320機(jī)型的3 500 Pa的極限值。綜上所述，飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組在對(duì)接不同飛機(jī)時(shí)輸出的風(fēng)量、風(fēng)壓應(yīng)該是可自適應(yīng)或可由用戶(hù)設(shè)置的，且是可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的。

2 現(xiàn)狀分析

現(xiàn)有多數(shù)飛機(jī)地面空調(diào)均采用高壓離心風(fēng)機(jī)作為送風(fēng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，主要采用直接起動(dòng)（較大功率采用星三角方式）或變頻器兩種控制方式來(lái)控制。兩種控制方式優(yōu)缺點(diǎn)及風(fēng)量、風(fēng)壓控制具體分析如下。

2.1 直接起動(dòng)類(lèi)型機(jī)組

當(dāng)離心風(fēng)機(jī)采用直接起動(dòng)或星三角控制時(shí)，一般不存在風(fēng)壓、風(fēng)量調(diào)節(jié)功能。如圖1所示，曲線1為管道阻力曲線，在機(jī)組出口接入飛機(jī)后已經(jīng)確定。曲線2為風(fēng)機(jī)特性曲線，在固定轉(zhuǎn)速下是固定的。兩者之間交點(diǎn)A即該機(jī)組的工況點(diǎn)。在無(wú)外界干擾的情況下，機(jī)組會(huì)在該工況點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，其中工況點(diǎn)位置固定。它對(duì)應(yīng)的出風(fēng)口風(fēng)量、風(fēng)壓為固定值，不可根據(jù)要求調(diào)節(jié)。此類(lèi)啟動(dòng)方式存在電力沖擊，對(duì)供電設(shè)備存在一定的損害。另外，由于飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組與飛機(jī)連接的特殊性（通過(guò)軟管臨時(shí)連接），此類(lèi)起動(dòng)方式在起動(dòng)階段存在較大的風(fēng)壓沖擊，可能會(huì)導(dǎo)致軟管跳動(dòng)。嚴(yán)重時(shí)，管道連接接頭脫落，碰觸飛機(jī)，會(huì)造成無(wú)法挽回的損失，給安全性要求很高的飛機(jī)帶來(lái)隱患。因此，此類(lèi)起動(dòng)方式正隨著產(chǎn)品性能的改善及用戶(hù)需求的提高逐步被其他方式替代。

2.2 變頻器控制類(lèi)型機(jī)組

現(xiàn)有機(jī)組中標(biāo)注風(fēng)量、風(fēng)壓可調(diào)的機(jī)組通常采用增加變頻器的方式實(shí)現(xiàn)。變頻器可以改變輸出頻率，從而調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。如圖2所示，通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變風(fēng)機(jī)特性曲線。在圖1曲線的基礎(chǔ)上調(diào)整變頻器頻率，將風(fēng)機(jī)曲線從2移動(dòng)到2’的位置，機(jī)組的工況點(diǎn)由原來(lái)的A點(diǎn)移動(dòng)到A’點(diǎn)，從而達(dá)到調(diào)整風(fēng)壓、風(fēng)量的目的。此方法雖然完成了風(fēng)量、風(fēng)壓調(diào)整，但其局限于機(jī)組的工況點(diǎn)只能在管道的特性曲線上移動(dòng)，達(dá)不到風(fēng)量和風(fēng)壓可單獨(dú)調(diào)整的要求，無(wú)法完全滿足多類(lèi)型飛機(jī)的適用性要求。

圖1 直接啟動(dòng)（或星三角控制）特性曲線

圖2 變頻器控制特性曲線

2.3 優(yōu)化方案

如果需要同一臺(tái)機(jī)組可滿足不同類(lèi)型飛機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓要求，必須能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)壓、風(fēng)量可獨(dú)立調(diào)整，而以上兩種方法均不能實(shí)現(xiàn)。對(duì)比分析可知，如需兩者均可調(diào)整，需要在改變風(fēng)機(jī)曲線的同時(shí)改變管道特性曲線。在機(jī)組設(shè)計(jì)過(guò)程中增加出口閥門(mén)，必要時(shí)通過(guò)調(diào)整閥門(mén)開(kāi)度改變機(jī)組的管道特性曲線。如圖3所示，曲線1’為改變管道特性后的曲線，機(jī)組工況點(diǎn)能夠在A、A’、B’、B區(qū)域內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)量與風(fēng)壓的單獨(dú)調(diào)整，提高飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組的適用性。同時(shí)，該控制方法避免了起動(dòng)過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)及送風(fēng)管道的沖擊，使機(jī)組更加安全。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)改變風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)特性曲線的改變，通過(guò)改變機(jī)組出口閥門(mén)實(shí)現(xiàn)管路特性曲線的改變。因此，機(jī)組風(fēng)量、風(fēng)壓調(diào)節(jié)功能所需控制設(shè)備配置如圖4所示。變頻器驅(qū)動(dòng)離心風(fēng)機(jī)，通過(guò)改變輸出頻率改變風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速。閥門(mén)執(zhí)行器與閥門(mén)同軸連接，通過(guò)執(zhí)行器的轉(zhuǎn)動(dòng)改變閥門(mén)開(kāi)度。風(fēng)量、風(fēng)壓采集器通過(guò)安裝在機(jī)組出口管道的傳感器采集數(shù)據(jù)，并經(jīng)計(jì)算將風(fēng)量、風(fēng)壓數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸。控制器通過(guò)Profinet總線讀取風(fēng)壓、風(fēng)量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算后將需要輸出的控制數(shù)據(jù)通過(guò)Profinet總線傳輸給變頻器，通過(guò)Modbus總線傳送給閥門(mén)執(zhí)行器。總線控制的方式減少了接線的煩瑣，提高了調(diào)整精度，減少了外部干擾[2]。對(duì)控制精度要求較高的系統(tǒng)，優(yōu)先推薦總線方式連接。

圖3 優(yōu)化后的特性曲線

圖4 機(jī)組風(fēng)量、風(fēng)壓調(diào)節(jié)功能設(shè)備配置

4 風(fēng)壓、風(fēng)量控制原理

飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組使用過(guò)程中是靠現(xiàn)場(chǎng)操作人員通過(guò)軟管接入飛機(jī)，因此不同機(jī)型、不同人員都會(huì)形成不同軟管敷設(shè)線路，導(dǎo)致管道特性均不相同。在管道特性不變的情況下，改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速既改變了風(fēng)量也改變了風(fēng)壓。在風(fēng)機(jī)特性曲線不變的情況下，改變閥門(mén)開(kāi)度同樣也改變了風(fēng)量和風(fēng)壓。可見(jiàn)，該系統(tǒng)存在2個(gè)被控量和2個(gè)控制量，且被控量之間存在相互耦合的關(guān)系。如需獲得所需的風(fēng)量、風(fēng)壓，利用簡(jiǎn)單的比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)。此類(lèi)多工況系統(tǒng)在PID控制的基礎(chǔ)上引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)量、風(fēng)壓進(jìn)行解耦，然后采用基于反向傳播（Back Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制方法對(duì)解耦后的2個(gè)近似獨(dú)立的單輸入單輸出系統(tǒng)進(jìn)行控制[3]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性、高度的容錯(cuò)性、并行處理等特性，為多變量時(shí)變非線性系統(tǒng)的控制提出了新方法[4]。如圖5所示，通過(guò)機(jī)組人機(jī)交互界面采集得到對(duì)接飛機(jī)所需的風(fēng)量、風(fēng)壓參數(shù)作為控制給定值。神經(jīng)元解耦控制器在每對(duì)輸入輸出通道上設(shè)置一個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元有2個(gè)輸入，用以接收PID控制器輸出信號(hào)。每個(gè)神經(jīng)元的輸出作為控制型號(hào)送至控制系統(tǒng)，通過(guò)神經(jīng)元權(quán)值的修正達(dá)到解耦目的。這種結(jié)構(gòu)屬于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)位于控制器后的串聯(lián)解耦方案[5]。

圖5 風(fēng)壓、風(fēng)量控制系統(tǒng)

5 控制過(guò)程PLC的程序?qū)崿F(xiàn)

機(jī)組采用西門(mén)子1200系列可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為控制器。該控制器緊湊的結(jié)構(gòu)、良好的擴(kuò)展性及強(qiáng)大的指令功能為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制提供了完善的平臺(tái)。部分編寫(xiě)程序流程如圖6所示。程序可在每次循環(huán)過(guò)程中修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，從而修改控制參數(shù)，使輸出達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

圖6 PLC編寫(xiě)程序流程

6 飛機(jī)型號(hào)采集

機(jī)組提供用戶(hù)交互界面，在使用前輸入實(shí)際飛機(jī)型號(hào)和飛機(jī)類(lèi)型（C、D、E類(lèi)等）。控制器根據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)匹配最優(yōu)風(fēng)量、風(fēng)壓值，并將其作為控制目標(biāo)。在配備飛機(jī)目視引導(dǎo)系統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)，機(jī)組提供了通信接口，可將數(shù)據(jù)直接讀取到控制器，避免人為操作出現(xiàn)錯(cuò)誤。

7 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種可以動(dòng)態(tài)調(diào)整飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組出口風(fēng)量、風(fēng)壓的控制方法，解決了同一機(jī)組接入不同飛機(jī)的適用性問(wèn)題。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法應(yīng)用于PLC邏輯控制，在實(shí)際使用過(guò)程中得到了較好的輸出參數(shù)，對(duì)后期推廣實(shí)施有著積極影響。