CN107943139A - 一种用于红外光窗防霜除冰控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于红外光窗防霜除冰控制装置及控制方法，包括加热装置、温度采集装置和控制电路及控制方法。考虑光窗形状及加热功率参数，本发明设计一款用于特定红外光窗加热带，该方案采用环形加热带。考虑到机上工作环境(主要是电磁及温度环境)，本发明选择一款数字式温度传感器，该温度传感器可将温度信号直接转换为串行数字信号送给控制器，测量温度范围为：‑55到+125℃，精度为±0.5℃。控制电路读取光窗温度数据，采用控制策略，触发加热信号对光窗进行除冰。基于对光窗真实环境的分析，本发明中选择合适的加热控制策略是核心，采用闭环控制策略对光窗温度进行控制，使得光窗工作在合适的温度区间，满足EVS工作要求。

Description

一种用于红外光窗防霜除冰控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于光窗防霜除冰技术领域，涉及一种用于红外光窗防霜除冰控制装置及控制方法。

背景技术

飞机结冰是飞行实践中广泛存在的一种物理现象，当飞机在低于冰点的结冰气象条件下飞行时，大气中的过冷水滴撞击到飞机表面，结冰现象就很容易在机翼、尾翼、进气道、挡风玻璃及传感器部件表面发生。本发明涉及传感器部件，是一种视景增强系统(EVS)，该传感器部件安装在机头部位，用于提供机头前方外景的红外图像，提供给屏显计算机。该传感器部件光窗结冰将直接影响飞行员在低能见度及夜间视距。因此，该传感器光窗防霜结冰控制尤为重要。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于红外光窗防霜除冰控制装置及控制方法。

技术方案

一种用于红外光窗防霜除冰控制装置，其特征在于：包括加热单元、温度传感器和控制单元；所述加热单元布设于光窗四周成环形，温度采集的温度传感器置于在光窗表面，加热单元通过控制单元的加热控制信号接口连接加热电源；所述控制单元根据温度信号，触发加热信号，使得加热单元工作；所述加热控制信号接口为一个光MOS管和连接在输出端的固态继电器；当需要加热时，光MOS管的输出端的控制信号TTL为5V时，固态继电器动作，将加热电源接通加热单元，否则TTL为低于5V或悬空时，不能将加热电源接通加热单元。

所述加热单元采用加热电阻丝，加热电阻丝两面设有导热耐热材料，胶粘于光窗四周成环形。

一种利用权利要求1或2所述用于红外光窗防霜除冰控制装置控制红外光窗防霜除冰的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：设定红外光窗的温度区间为：[T_a，T_b]；

步骤2：若采集到温度为T₀，将温度按照[T_a，T_b]区间进行归一化标定，λ范围归一化为：0～1；

步骤3：设置加热控制信号占空比初值为50％；

步骤4：PID控制器中的比例系数K_p按照步骤2中的λ进行映射，经过离散化计算处理，PID控制器计算表达式：

其中：e(k)为采集温度与设定温度偏差，T为采样周期，T_i为积分时间常数，u_i(k-1)为第k-1时刻积分项计算结果，T_d为微分时间常数，u_d(k-1)为第k-1时刻微分项计算结果，u(k)是各项计算之和；

步骤5：加热控制信号占空比:Duty＝T_CMPR/T_period。T_period决定控制信号频率，其中第K时刻T_CMPR(k)＝T_CMPR(k-1)+u(k)，u(k)为步骤4计算的结果，控制信号为PWM脉冲调制信号，占空比自适应调整；

步骤6：对控制信号进行限幅控制，将T_CMPR(k)限制在：0.1*T_period≤T_CMPR(k)≤0.9*T_period区间内，即控制信号占空比范围为：10％～90％，加热信号为周期性信号，占空比实时调整；控制信号按照步骤6实时计算的占空比对加热电源进行控制，达到对加热带加热控制目的。

有益效果

本发明提出的一种用于红外光窗防霜除冰控制装置及控制方法，包括加热装置、温度采集装置和控制电路及控制方法。考虑光窗形状及加热功率参数，本发明设计一款用于特定红外光窗加热带，该方案采用环形加热带。考虑到机上工作环境(主要是电磁及温度环境)，本发明选择一款数字式温度传感器，该温度传感器可将温度信号直接转换为串行数字信号送给控制器，测量温度范围为：-55到+125℃，精度为±0.5℃。控制电路读取光窗温度数据，采用控制策略，触发加热信号对光窗进行除冰。基于对光窗真实环境的分析，本发明中选择合适的加热控制策略是核心，采用闭环控制策略对光窗温度进行控制，使得光窗工作在合适的温度区间，满足EVS工作要求。

本发明的优点是：该电路为闭环控制，使得该控制系统得到最优的稳定性，并在保证稳定性的同时使系统在最快的时间内达到要求。

附图说明

图1：控制原理框图

图2：控制器单元原理框图

图3：加热带示意图

图4：加热控制信号接口图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

一种用于红外光窗防霜除冰控制方法，控制某型EVS光窗表面温度，该光窗玻璃玻璃材料为蓝宝石，工作波段为1.3μm到4.8μm，为红外线短波和中波工作波段，可改善因不良气象条件对EVS输出红外图像的不利影响。

包括加热单元、温度采集单元、控制器单元，控制器单元是核心，该单元包含加热控制策略。设计中通过对光窗表面温度进行采集，控制单元根据控制策略触发加热信号对光窗进行加热控制，达到对光窗温度进行闭环控制。

加热带根据光窗形状设计成环形，该形状不影响红外光学入瞳口径，环形加热带上下表面为导热耐热材料，环形内均匀排布加热电阻丝，根据功率及供电要求，计算电阻值，该加热带背面涂耐热胶粘接到光窗表面；

温度采集单元采用DS18B20一线制数字温度传感器，布置在光窗表面，温度传感器将温度信号转换为数字信号，送给控制器单元；

控制器单元根据温度信号，触发加热信号，使得加热带工作。

具体实施例：

1、工作过程设计

本发明采用加热带为电阻丝型，其对外接口为电源+、电源-，按照额定工作电压要求，提供加热电源，加热带即可对目标进行加热。

根据EVS工作要求，当温度低于光窗表面温度低于+4℃(±2℃)时，应启动加热，当光窗表面温度高于+35℃(±2℃)时，停止加热。

2、加热控制方法装置设计

1)加热单元

尺寸图见图3，图3中走线为电阻丝走线示意，设计要求如下：

1环形区域内排布加热电阻丝，总电阻要求为40±0.5Ω，28V供电，额定功率小于20W；

2出现位置两根线分别是加热丝的+、-极；

3引线尺寸为Φ0.2mm,颜色要有鲜明的区别,长度分别为400mm；

4加热电阻丝沿环形区域均匀布置，密封在环形区域内，环形区域为导热材料；

5导热材料背面涂耐热胶，该环形电阻丝装置整体粘接到光窗表面。

2)加热控制信号接口

加热控制信号接口图见图4，具体实现如下：

光窗温度控制，由电源模块提供28V作为加热带电源，接口与控制模块提供TTL控制信号，控制加热带电源是否提供给加热带。当TTL为5V时，电源模块输出28V，当TTL悬空或低电平时，电源模块不输出28V。电源模块反馈加热带加热状态(正常，故障)，当接口与控制模块控制其给光窗加热时，若电源模块28V加热带电源输出，则上报正常，否则上报故障；当接口与控制模块控制其停止给光窗加热时，若电源模块28V加热带电源不输出，则上报正常，否则上报故障。

3)控制策略设计

该部分是本发明的关键部分。

根据采集温度与设定温度偏差值，采用PID(比例-积分-微分)控制器解算出PWM控制信号，该控制信号直接控制加热电源，形成闭环控制。采用连续性和周期性相结合的加热策略。当实际温度距离设定温度阈值下限较大时，首先启动周期性预热，防止光窗因温度冲击引起损伤，当预热时间完成后，启动连续加热，快速除冰，当逼近设定温度阈值上限时，启动周期性加热策略。

周期性加热采用自适应PID控制策略，该策略根据采集温度与设定温度差值动态调整参数，最终调整加热信号的占空比，本发明中具体过程如下：

1本发明中设定光窗温度区间为：[T_a，T_b](正常飞行时)；

2若采集到温度为T₀，将温度按照[T_a，T_b]区间进行归一化标定，λ范围归一化为：0～1；

3设置加热控制信号占空比初值为50％；

4PID控制器中的比例系数K_p按照第2步中λ进行映射，本文采用数字PID控制器，经过离散化计算处理，PID控制器计算表达式:

其中：e(k)为采集温度与设定温度偏差，T为采样周期，T_i为积分时间常数，u_i(k-1)为第k-1时刻积分项计算结果，T_d为微分时间常数，u_d(k-1)为第k-1时刻微分项计算结果。u(k)是各项计算之和；

5本发明中对控制信号进行限幅控制，将控制信号占空比约定在范围：10％～90％区间。

Claims (3)

1.一种用于红外光窗防霜除冰控制装置，其特征在于：包括加热单元、温度传感器和控制单元；所述加热单元布设于光窗四周成环形，温度采集的温度传感器置于在光窗表面，加热单元通过控制单元的加热控制信号接口连接加热电源；所述控制单元根据温度信号，触发加热信号，使得加热单元工作；所述加热控制信号接口为一个光MOS管和连接在输出端的固态继电器；当需要加热时，光MOS管的输出端的控制信号TTL为5V时，固态继电器动作，将加热电源接通加热单元，否则TTL为低于5V或悬空时，不能将加热电源接通加热单元。

2.根据权利要求1所述用于红外光窗防霜除冰控制装置，其特征在于：所述加热单元采用加热电阻丝，加热电阻丝两面设有导热耐热材料，胶粘于光窗四周成环形。

3.一种利用权利要求1或2所述用于红外光窗防霜除冰控制装置控制红外光窗防霜除冰的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：设定红外光窗的温度区间为：[T_a，T_b]；

步骤2：若采集到温度为T₀，将温度按照[T_a，T_b]区间进行归一化标定，λ范围归一化为：0～1；

步骤3：设置加热控制信号占空比初值为50％；

步骤4：PID控制器中的比例系数K_p按照步骤2中的λ进行映射，经过离散化计算处理，PID控制器计算表达式：

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其中：e(k)为采集温度与设定温度偏差，T为采样周期，T_i为积分时间常数，u_i(k-1)为第k-1时刻积分项计算结果，T_d为微分时间常数，u_d(k-1)为第k-1时刻微分项计算结果，u(k)是各项计算之和；

步骤5：加热控制信号占空比:Duty＝T_CMPR/T_period。T_period决定控制信号频率，其中第K时刻T_CMPR(k)＝T_CMPR(k-1)+u(k)，u(k)为步骤4计算的结果，控制信号为PWM脉冲调制信号，占空比自适应调整；

步骤6：对控制信号进行限幅控制，将T_CMPR(k)限制在：0.1*T_period≤T_CMPR(k)≤0.9*T_period区间内，即控制信号占空比范围为：10％～90％，加热信号为周期性信号，占空比实时调整；控制信号按照步骤6实时计算的占空比对加热电源进行控制，达到对加热带加热控制目的。