CN105523185B - 一种飞机客舱温度控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞机客舱温度控制技术领域，涉及一种飞机客舱温度控制系统。所述的系统包括座舱、三轮高压除水系统、温度控制阀、冷风道调节阀和系统控制器，冷风道调节阀安装在三轮高压除水系统的冲压空气道内，发动机引气系统出口直接连通座舱供气管道的管道内安装有温度控制阀；其特征为：在冷风道调节阀的出口端安装有冲压空气流量传感器，冲压空气流量传感器采集的信号传输至系统控制器。控制系统选用冲压空气流量作为控制对象，通过固定冲压空气的流量，稳定系统换热状态，保证系统制冷和加热能力，将系统双执行机构温度调节转换为单温度控制阀的控制。大大降低系统控制耦合型，提高系统控制稳定性。
Description
技术领域
本发明属于飞机客舱温度控制技术领域，涉及一种飞机客舱温度控制系统。
背景技术
随着大型飞机的发展，飞机环境控制系统的发展趋于系统综合性高、控制精度高和自动化程度高等特点。同时由于任务模式复杂，环控系统引气以及冲压空气状态变化剧烈，加上座舱的大容量特性等注定了座舱温度控制系统为大迟滞、强耦合的典型多输入—多输出复杂热力学系统。国内外解决此问题，大多采用冷风道调节阀控制压气机出口温度，温度控制阀控制客舱供气温度。由于冲压空气流量变化会同时引起压气机出口温度和客舱供气温度变化，所以冷风道调节阀控制和温度控制阀控制存在耦合，系统响应和控制精度难以保证。
发明内容
本发明解决的技术问题：本发明提供一种飞机客舱温度控制系统，主要解决座舱温度控制不稳定、控制精度差、响应速度慢的问题。
本发明的技术方案为：一种飞机客舱温度控制系统，所述的系统包括座舱、三轮高压除水系统、温度控制阀、冷风道调节阀和系统控制器，冷风道调节阀安装在三轮高压除水系统的冲压空气道内，发动机引气系统出口直接连通座舱供气管道的管道内安装有温度控制阀；
其特征为：在冷风道调节阀的出口端安装有冲压空气流量传感器，冲压空气流量传感器采集的信号传输至系统控制器。
作为本技术方案的一种改进，同时通过温度控制阀调节客舱供气温度至目标值、通过冷风道调节阀调节冲压空气流量至目标值，来实现座舱温度调节。
作为本技术方案的一种改进，当座舱温度目标值与座舱温度实际值之差的绝对值小于设定阀值A时，系统启动时温度控制阀的初始开度为0度，启动后再调节温度控制阀的开度。
作为本技术方案的一种改进，当座舱温度目标值与座舱温度实际值之差大于设定阀值A：飞机位于地面时，获取温度控制阀的初始开度，系统启动时温度控制阀打开至该初始开度，之后再调节温度控制阀的开度；飞机在空中启动座舱温控系统时，温度控制阀初始开度为0度，控制器直接调节温度控制阀的开度；
当座舱温度目标值与座舱温度实际值之差小于负的设定阀值A：温度控制阀关闭。
作为本技术方案的一种改进，通过查询温度控制阀的初始开度数值表，获取温度控制阀的初始开度；
初始开度数值表通过以下方法建立：地面状态下保持冷风道调节阀全开，冲压空气供气温度从-55℃到50℃变化，每间隔一定温度采集一个点，固定冲压空气的供气温度，改变温度控制阀的开度，当客舱供气温度达到座舱允许最高供气温度时，记录下当前温度控制阀的开度。
作为本技术方案的一种改进，系统控制器根据如下公式计算输出给温度控制阀的开度控制量调节温度控制阀的开度：
g(k)*Δg(k)>0时：
g(k)*Δg(k)≤0时：
g(k)为客舱供气温度控制误差，客舱供气目标温度与客舱供气实际温度之差，g(k-1)为一个控制周期前客舱供气温度控制误差，g(k-2)为两个控制周期前客舱供气温度控制误差，Δg(k)＝g(k)-g(k-1)为当前时刻的客舱供气温度误差变化，v(k)为当前时刻控制器输出给温度控制阀的开度控制量，v(k-1)为一个控制周期前温度控制阀的开度控制量，Δv(k)为当前时刻温度控制阀的开度控制量增量，λ为控制增益系数，λ>1，Kpwk为温控控制阀比例系数，Kiwk为温控控制阀积分系数，Kiwk_min为保证系统控制稳定的最小温控控制阀积分系数，Kdwk为温度控制阀微分系数。
作为本技术方案的一种改进，客舱供气温度目标值根据以下公式计算，
CabinSet_T客舱供气温度目标值，Tpanel_set为飞机面板设定温度，T(k)为当前时刻客舱温度，T(k-1)为一个控制周期前客舱温度，ΔT(k)＝T(k)-T(k-1)为当前时刻的客舱温度变化，e(k)为当前时刻客舱温度控制误差，N为座舱允许最高供气温度，M为座舱允许最低供气温度，k1为客舱温度比例调整系数，k2为客舱温度积分系数，k3为客舱温度微分系数，A为阀值，Δe(k)为当前时刻客舱温度控制误差变化率。
作为本技术方案的一种改进，当压气机出口温度超温时或者飞机在地面时，冷风道调节阀全开。
作为本技术方案的一种改进，飞机在空中时，获取当前冲压空气目标流量，控制器根据以下公式计算出输出给冷风道调节阀的开度控制量：
f(k)为冲压空气流量控制误差，冲压空气目标流量与冲压空气实际流量之差，f(k-1)为一个控制周期前冲压空气流量控制误差，f(k-2)为两个控制周期前冲压空气流量控制误差，u(k)为当前时刻控制器输出给冷风道调节阀的开度控制量，u(k-1)为一个控制周期前冷风道调节阀的开度控制量，Δu(k)为当前时刻冷风道调节阀的开度控制量增量，Kplfd为冷风道调节阀比例系数，Kilfd为冷风道调节阀积分系数，Kdlfd为冷风道调节阀微分系数。
作为本技术方案的一种改进，通过查冲压空气目标流量数值表获取当前冲压空气目标流量；
冲压空气目标流量数值表通过以下方法建立：冲压空气供气温度从-55℃到50℃变化，每间隔一定温度采集一个点，固定冲压空气的供气温度，改变冲压空气流量，若此流量能使得温度控制阀全关时系统达到极限制冷状态，且温度控制阀全开时系统达到极限加热状态，记录下当前冲压空气流量为冲压空气供气温度对应的目标流量。
本发明的有益效果为：控制系统选用冲压空气流量作为控制对象，通过固定冲压空气的流量，稳定系统换热状态，保证系统制冷和加热能力，将系统双执行机构温度调节转换为单温度控制阀的控制。大大降低系统控制耦合型，提高系统控制稳定性。
具体实施方式
下面结合实施例对本技术方案作进一步详细说明。
一种飞机客舱温度控制系统，所述的系统包括座舱、三轮高压除水系统、温度控制阀、冷风道调节阀、客舱供气管路温度传感器、客舱温度传感器、压气机出口温度传感器、冲压空气流量传感器和系统控制器，客舱供气管路温度传感器安装在客舱供气管路出口处，客舱温度传感器安装在客舱内部，压气机出口温度传感器安装在压气机出口处，冲压空气流量传感器安装在冷风道调节阀的出口处，冷风道调节阀安装在三轮高压除水系统的冲压空气道内，发动机引气系统出口直接连通座舱供气管道的管道内安装有温度控制阀；
其特征为：在冷风道调节阀的出口端安装有冲压空气流量传感器，冲压空气流量传感器采集的信号传输至系统控制器。
同时通过温度控制阀调节客舱供气温度至目标值、通过冷风道调节阀调节冲压空气流量至目标值，来实现座舱温度调节。客舱供气温度目标值通过控制面板设定客舱温度值与客舱温度实际值之差计算获得。冲压空气流量目标值通过试验获得。
当座舱温度目标值与座舱温度实际值之差的绝对值小于设定阀值A时，系统启动时温度控制阀的初始开度为0度，启动后再调节温度控制阀的开度。此时，说明客舱温度实际值与控制面板设定客舱温度值比较接近，此时只需要按控制算法正常输出即可快速调节客舱温度至控制面板设定客舱温度值。
当座舱温度目标值与座舱温度实际值之差大于设定阀值A：飞机位于地面时，获取温度控制阀的初始开度，系统启动时温度控制阀打开至该初始开度，之后再调节温度控制阀的开度；飞机在空中启动座舱温控系统时，温度控制阀初始开度为0度，控制器直接调节温度控制阀的开度；座舱温度目标值与座舱温度实际值之差大于设定阀值A说明座舱实际温度较低，需要快速加热。地面温度控制阀直接从大角度开始调节，空中由于座舱温控系统启动不常用，本发明中没有设计空中启动快速加热功能，若需要，也可以通过检测冲压空气道流量来确定温度控制阀的初始开度。
当座舱温度目标值与座舱温度实际值之差小于负的设定阀值A：温度控制阀关闭。座舱温度目标值与座舱温度实际值之差小于负的设定阀值A说明客舱温度已经很高，需要快速制冷，所以温度控制阀关闭。
通过查询温度控制阀的初始开度数值表，获取温度控制阀的初始开度；在地面温度控制打开到此初始开度时，客舱供气温度达到系统允许的最大供气温度，即快速极限加热状态。
初始开度数值表通过以下方法建立：地面状态下保持冷风道调节阀全开，冲压空气供气温度从-55℃到50℃变化，每间隔一定温度采集一个点，固定冲压空气的供气温度，改变温度控制阀的开度，当客舱供气温度达到座舱允许最高供气温度时，记录下当前温度控制阀的开度。
系统控制器根据如下公式计算输出给温度控制阀的开度控制量调节温度控制阀的开度：
g(k)*Δg(k)>0时：
g(k)*Δg(k)≤0时：
g(k)为客舱供气温度控制误差，客舱供气目标温度与客舱供气实际温度之差，g(k-1)为一个控制周期前客舱供气温度控制误差，g(k-2)为两个控制周期前客舱供气温度控制误差，Δg(k)＝g(k)-g(k-1)为当前时刻的客舱供气温度误差变化，v(k)为当前时刻控制器输出给温度控制阀的开度控制量，v(k-1)为一个控制周期前温度控制阀的开度控制量，Δv(k)为当前时刻温度控制阀的开度控制量增量，λ为控制增益系数，λ>1，Kpwk为温控控制阀比例系数，Kiwk为温控控制阀积分系数，Kiwk_min为保证系统控制稳定的最小温控控制阀积分系数，Kdwk为温度控制阀微分系数。
以上公式描述了当客舱供气温度目标值与客舱供气温度值偏差越来越大时，系统控制器增大控制量输出，当客舱供气温度目标值与客舱供气温度值偏差越来越小时，系统控制器按照客舱供气温度目标值与客舱供气温度值之差的大小逐渐减小控制量的输出。
客舱供气温度目标值根据以下公式计算，
CabinSet_T客舱供气温度目标值，Tpanel_set为飞机面板设定温度，T(k)为当前时刻客舱温度，T(k-1)为一个控制周期前客舱温度，ΔT(k)＝T(k)-T(k-1)为当前时刻的客舱温度变化，e(k)为当前时刻客舱温度控制误差，N为座舱允许最高供气温度，M为座舱允许最低供气温度，k1为客舱温度比例调整系数，k2为客舱温度积分系数，k3为客舱温度微分系数，A为阀值，Δe(k)为当前时刻客舱温度控制误差变化率。
在以上公式中，客舱供气温度目标值与客舱温度设定值、客舱温度控制误差、客舱温度变化率有关，客舱温度控制误差越大，供气温度越高，客舱温度变化剧烈时，客舱供气目标温度往减小客舱温度变化的方向变化，同时还加入了客舱温度静态误差消除环节。
当压气机出口温度超温时或者飞机在地面时，冷风道调节阀全开。
飞机在空中时，获取当前冲压空气目标流量，控制器根据以下公式计算出输出给冷风道调节阀的开度控制量，通过PID算法调节使得冲压空气流量达到目标值。从而稳定系统与冲压空气的换热，降低系统控制的耦合性。
f(k)为冲压空气流量控制误差，冲压空气目标流量与冲压空气实际流量之差，f(k-1)为一个控制周期前冲压空气流量控制误差，f(k-2)为两个控制周期前冲压空气流量控制误差，u(k)为当前时刻控制器输出给冷风道调节阀的开度控制量，u(k-1)为一个控制周期前冷风道调节阀的开度控制量，Δu(k)为当前时刻冷风道调节阀的开度控制量增量，Kplfd为冷风道调节阀比例系数，Kilfd为冷风道调节阀积分系数，Kdlfd为冷风道调节阀微分系数。
通过查冲压空气目标流量数值表获取当前冲压空气目标流量；冲压空气目标流量数值表通过以下方法建立：冲压空气供气温度从-55℃到50℃变化，每间隔一定温度采集一个点，固定冲压空气的供气温度，改变冲压空气流量，若此流量能使得温度控制阀全关时系统达到极限制冷状态，且温度控制阀全开时系统达到极限加热状态，记录下当前冲压空气流量为冲压空气供气温度对应的目标流量。
冲压空气目标流量的选择要使得系统能够达到极限加热和极限制冷状态，对于每一个冲压空气供气温度点，系统能够达到极限加热和极限制冷状态时，冲压空气目标流量不是唯一的，冲压空气目标流量时需要留有足够余量，以补偿外界环境(如冷凝水等)对系统换热性能的影响。
Claims (8)
1.一种飞机客舱温度控制系统，所述的系统包括座舱、三轮高压除水系统、温度控制阀、冷风道调节阀和系统控制器，冷风道调节阀安装在三轮高压除水系统的冲压空气道内，发动机引气系统出口直接连通座舱供气管道的管道内安装有温度控制阀；
其特征为：在冷风道调节阀的出口端安装有冲压空气流量传感器，冲压空气流量传感器采集的信号传输至系统控制器，
同时通过温度控制阀调节客舱供气温度至目标值、通过冷风道调节阀调节冲压空气流量至目标值，来实现座舱温度调节；
飞机在空中时，获取当前冲压空气目标流量，控制器根据以下公式计算出输出给冷风道调节阀的开度控制量：
f(k)为冲压空气流量控制误差，冲压空气目标流量与冲压空气实际流量之差，f(k-1)为一个控制周期前冲压空气流量控制误差，f(k-2)为两个控制周期前冲压空气流量控制误差，u(k)为当前时刻控制器输出给冷风道调节阀的开度控制量，u(k-1)为一个控制周期前冷风道调节阀的开度控制量，Δu(k)为当前时刻冷风道调节阀的开度控制量增量，Kplfd为冷风道调节阀比例系数，Kilfd为冷风道调节阀积分系数，Kdlfd为冷风道调节阀微分系数。
2.根据权利要求1所述的一种飞机客舱温度控制系统，其特征为：通过查冲压空气目标流量数值表获取当前冲压空气目标流量；
冲压空气目标流量数值表通过以下方法建立：冲压空气供气温度从-55℃到50℃变化，每间隔一定温度采集一个点，固定冲压空气的供气温度，改变冲压空气流量，若此流量能使得温度控制阀全关时系统达到极限制冷状态，且温度控制阀全开时系统达到极限加热状态，记录下当前冲压空气流量为冲压空气供气温度对应的目标流量。
3.根据权利要求1所述的一种飞机客舱温度控制系统，其特征为：当座舱温度目标值与座舱温度实际值之差的绝对值小于设定阀值A时，系统启动时温度控制阀的初始开度为0度，启动后再调节温度控制阀的开度。
4.根据权利要求1所述的一种飞机客舱温度控制系统，其特征在于当座舱温度目标值与座舱温度实际值之差大于设定阀值A：飞机位于地面时，获取温度控制阀的初始开度，系统启动时温度控制阀打开至该初始开度，之后再调节温度控制阀的开度；飞机在空中启动座舱温控系统时，温度控制阀初始开度为0度，控制器直接调节温度控制阀的开度；
当座舱温度目标值与座舱温度实际值之差小于负的设定阀值A：温度控制阀关闭。
5.根据权利要求4所述的一种飞机客舱温度控制系统，其特征为：通过查询温度控制阀的初始开度数值表，获取温度控制阀的初始开度；
初始开度数值表通过以下方法建立：地面状态下保持冷风道调节阀全开，冲压空气供气温度从-55℃到50℃变化，每间隔一定温度采集一个点，固定冲压空气的供气温度，改变温度控制阀的开度，当客舱供气温度达到座舱允许最高供气温度时，记录下当前温度控制阀的开度。
6.根据权利要求3或4所述的一种飞机客舱温度控制系统，其特征为：系统控制器根据如下公式计算输出给温度控制阀的开度控制量调节温度控制阀的开度：
g(k)*Δg(k)>0时：
g(k)*Δg(k)≤0时：
g(k)为客舱供气温度控制误差，客舱供气目标温度与客舱供气实际温度之差，g(k-1)为一个控制周期前客舱供气温度控制误差，g(k-2)为两个控制周期前客舱供气温度控制误差，Δg(k)＝g(k)-g(k-1)为当前时刻的客舱温度误差变化，v(k)为当前时刻控制器输出给温度控制阀的开度控制量，v(k-1)为一个控制周期前温度控制阀的开度控制量，Δv(k)为当前时刻温度控制阀的开度控制量增量，λ为控制增益系数，λ>1，Kpwk为温控控制阀比例系数，Kiwk为温控控制阀积分系数，Kiwk_min为保证系统控制稳定的最小温控控制阀积分系数，Kdwk为温度控制阀微分系数。
7.根据权利要求6所述的一种飞机客舱温度控制系统，其特征为：客舱供气温度目标值根据以下公式计算，
CabinSet_T客舱供气温度目标值，Tpanel_set为飞机面板设定温度，T(k)为当前时刻客舱温度，T(k-1)为一个控制周期前客舱温度，ΔT(k)＝T(k)-T(k-1)为当前时刻的客舱温度变化，e(k)为当前时刻客舱温度控制误差，N为座舱允许最高供气温度，M为座舱允许最低供气温度，k1为客舱温度比例调整系数，k2为客舱温度积分系数，k3为客舱温度微分系数，A为阀值，Δe(k)为当前时刻客舱温度控制误差变化率。
8.根据权利要求1所述的一种飞机客舱温度控制系统，其特征为：当压气机出口温度超温时或者飞机在地面时，冷风道调节阀全开。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |