飞机空气循环制冷系统控制仿真简析

史素清+路高社+梁双+周月玲

摘 要 飞机空气循环制冷系统既可以为飞行员和空乘人员提供相对舒适的座舱环境，也可以在为电子设备提供冷源的基础上，为设备的优良工作温湿度环境提供保障。计算机仿真分析是对飞机在空中飞行状态进行模拟的有效方式。文章主要从飞机空气循环制冷系统原理入手，对空气循环制冷系统的控制仿真重点关注问题进行了探究。

关键词 空气循环制冷系统；仿真分析；故障仿真；PID算法；PID调节参数

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）205-0117-02

在各种飞行环境下为飞行员、旅客和空勤人员的生活环境提供保障，是飞机环境控制的主要目标。从制冷机理的角度来看，飞机环境控制系统主要由空气循环制冷系统和蒸发循环制冷系统组成。空气循环制冷系统是较为常用的飞机环境控制方式。系统重量轻、附件数量少、维护成本低是这一系统的主要特点。传统PID与专家系统、模糊控制和神经网络控制技术之间的融合，可以有效促进空气循环制冷的控制品质的提升。随着计算机技术的发展，飞机空气循环系统会表现出朝着综合数据交换和综合控制方面发展的特点。

1 飞机空气循环制冷系统工作原理

来自发动机压气机的高温高压空气经压力调节安全阀与流量控制活门后，进入制冷组件的初级换热器，在初级换热器里与冲压空气进行热交换，被冷却的气体从初级换热器出来进入制冷组件中的压缩机，被压缩成高温高压的气体流入次级换热器再次由冲压空气冷却，然后通过高压水分离器、回热器、冷凝器与涡轮，气体在涡轮中膨胀后降温，降温的冷气与来自热路区域温控活门的热空气经温控系统监控处理后按一定比例混合，最终以适宜的温度供入座舱[ 1 ]。

2 飞机空气循环制冷系统主要部件建模与仿真要求

2.1 空气循环机

在建模时，由于三轮空气循环机中涡轮、压气机与风扇动态响应时间很短，其滞后对系统影响较小，在工程计算中可以忽略，因此，采用其稳态特性建立数学模型即可。

三轮空气循环机组的功率匹配仿真，在初始转速下，首先应计算出涡轮的输出功和风扇的耗功，将两者的功率之差作为输入量给压气机，压气机计算出该输入功条件下的新的转速与输入转速对比，并将该转速再一次输出给涡轮和风扇进行迭代计算，直到三者转速和功率满足条件为止。

2.2 换热器

换热器因热交换过程存在水蒸气的相变过程，对换热器出口温度影响很大，干态换热效率计算方法不再适用，宜选用非线性大系统分析的分块参数集结法，即认为流动气体是一维的，忽略气体与壁面的纵向热传导，每个单元模块内认为壁面温度只是时间函数，然后采用能量方程推导热交换器的数学模型。

2.3 系统控制

系统控制采样PID算法确定后，需对PID的参数进行调整。参数调整过程可以让一些动态指标得到优化，也会使部分指标表现出恶化等问题，因而针对不同控制对象的不同控制要求，需要在系统整定过程中对空气循环制冷系统的整体性能进行关注。一般情况下，飞机空气循环制冷系统中所包含的表征系统动态特性指标主要包含了以下内容：

1）衰减比和衰减率。

2）最大动态偏差和超调量。

3）残余偏差。

4）调节时间和振荡频率。

5）误差积分指标。

一般情况下Z-N参数整定方法是空气循环制冷系统仿真PID算法中常用的参数整定方法。这种控制方法以被控制对象的控制通道阶跃相应为主要控制依据，并借助一些经验公式对解控制器的最佳参数进行确定。

2.4 系统仿真结果

在系统建模，对参数匹配完成后，对制冷系统仿真结果应重点关注在随飞机飞行速度和高度变化时，引气流量的波动、冷边冲压空气流量与温度变化对制冷组件出口气体温度的影响。

正常系统冷边冲压空气流量与温度变化对初级散热器与压缩机出口温度影响较大，而对涡轮出口温度的影响则很小。

对座舱温控系统，则应关注座舱温度传感器、供气管路温度传感器与区域温控活门响应的匹配性，避免供气温度大幅度阶跃跳变、温控活门开度超调或滞后。

3 飞机空气循环系统的故障仿真

3.1 FCV故障仿真

循环系统的故障仿真也是飞机空气循环制冷系统仿真研究中不可忽视的内容。FCV系统是控制通往空调组件的空气流量，发挥组件关断作用的重要工具。

通过FCV故障仿真，设定在某个时间段组件活门发生故障，检测热气流量是否增大，涡轮出口温度与FCV故障前对比是否偏高，仿真结果与实际的故障结果是否一致。热气流量增加、制冷组件出口温度升高是FCV故障的主要表现形式。

3.2 热交换器故障仿真

热交换器也是空气循环机系统中的重要部件。热交换器的可靠性可以被看作是飞机环境控制系统的可靠性的主要影响因素。随着循环制冷系统工作时间增加，空气中杂质在热交换器中的積累，出现热交换器气流通道截面变窄，热交换器出现堵塞或效率降低问题。

在初级热交换器、压气机处于正常工作状态的情况下，模拟假定某个时间段次级热交换器出现堵塞问题，检测热交换器的工作效率是否有所降低，由此而引发的涡轮出口温度是否升高。

换热器堵塞实际表现为换热效率下降，制冷组件涡轮出口温度升高[2]。

4 飞机空气循环制冷系统控制的实践方法

4.1 计算机控制的PID算法

系统在手动切换或自动切换条件下，PID给系统带来的冲击相对较小。

在偏差长期存在的情况下，输出变量的积累会让被控对象达到极限位置。

在偏差处于正负编号状态的情况下，增量输出会随之而改变方向，因此，空气循环制冷系统的电动控制系统通常采用PID增量式控制算法。

4.2 数字式PID调节参数的整定

参数整定环节是根据一定规则，让数字式控制系统输出相应满足特定要求的参数调节方式。简单近似准则和精确准则是数字式PIN调节参数的主要整定准则。

在整定离散PID控制参数的过程中，还需要对采样周期的影响进行关注。基于系统临界振荡参数的闭环整定方法是数字式PID调节参数整定过程中常用的整定方法，在这一算法的应用过程中，首先需要对最小的采样周期进行确定，并要将数字控制系统设置为纯比例控制。

数字离散控制的采样周期的长短对系统控制品质的影响，是在参数整定过程中所要关注的重点。

5 结论

本文主要从飞机空气循环制冷系统的原理入手，对循环制冷系统的控制与仿真关键点进行了解析探讨，可对环控系统具体仿真提供借鉴帮助。

参考文献

[1]寿荣中，何慧姗.飞行器环境控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[2]何永勃，杨燕辉，王丽哲.飞机空气循环机的建模与故障仿真[J].计算机仿真，2012，29（8）：74-75.endprint