CN113342068A - 一种基于在线机器学习的烟雾流动控制实验系统 - Google Patents

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Abstract

一种在线机器学习的烟雾流动控制实验系统。其包括烟雾发生器、烟雾浓度传感器、信号接收装置和工控机；烟雾发生器包括壳体及装在壳体内的数据发送与控制指令接收单元、乙二醇溶液储液器、二氧化碳气瓶、开关电磁阀、控制器、烟雾发生器开关、过热保护控制电磁阀、加热器、温度传感器、出口流量控制电磁阀、进气管和排液管；烟雾浓度传感器装在飞机货舱内；信号接收装置和工控机装在飞机货舱外。本发明采用流动控制理论，根据货舱内流场数据，采用机器学习算法建立以烟雾发生器边界条件为输入，以模拟烟雾流动特征参数为状态变量的状态空间/传递函数模型，根据目标指令对飞机货舱内模拟烟雾浓度进行自动闭环控制，具有响应快、自动化程度高优点。

Description

一种基于在线机器学习的烟雾流动控制实验系统
技术领域
本发明属于航空系统实验装置技术领域，特别涉及一种基于在线机器学习的烟雾流动控制实验系统。
背景技术
现行的适航规章CCAR25.858条款中有明确规定，要求飞机货舱内的烟雾探测器必须在火情发生的1分钟之内探测到烟雾并报警。在目前的工业实践中，生产商需要进行飞行试验，以证明其产品符合该条款的要求，但由于在飞行试验中采用真实火源会增加试验的风险，因此，在飞行试验中必须采用烟雾发生器产生的模拟烟雾来代替真实火灾烟雾，以检验飞机货舱内烟雾探测器的告警功能。然而，目前市面上的烟雾发生器均无法实现与真实火灾烟雾在流动规律上的等效，究其本质原因，是因为目前市面上的烟雾发生器均为“开环”系统，即用户通过预先设定一个烟雾发生器流量，然后再人为检验飞机货舱内烟雾浓度值是否能够与真实火灾工况下烟雾浓度等效，为实现该目的，需要反复试凑所需的烟雾发生器流量，显然效率低下且难以实现完全等效。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供了一种基于在线机器学习的烟雾流动控制实验系统。
为了达到上述目的，本发明提供的在线机器学习的烟雾流动控制实验系统包括烟雾发生器、烟雾浓度传感器、信号接收装置和工控机；其中，所述烟雾发生器安装在飞机货舱的内部，包括壳体及安装在壳体内部的数据发送与控制指令接收单元、乙二醇溶液储液器、二氧化碳气瓶、开关电磁阀、控制器、烟雾发生器开关、过热保护控制电磁阀、加热器、温度传感器、出口流量控制电磁阀、进气管和排液管；进气管的一端连接在二氧化碳气瓶上，另一端浸没在乙二醇溶液储液器内的乙二醇溶液中；开关电磁阀安装在进气管上；排液管的一端浸没在乙二醇溶液储液器内的乙二醇溶液中，另一端贯穿壳体后位于壳体的外部；过热保护控制电磁阀、加热器、温度传感器和出口流量控制电磁阀依次安装在排液管上；烟雾发生器开关安装在壳体上；控制器分别与开关电磁阀、烟雾发生器开关、过热保护控制电磁阀和温度传感器电连接；烟雾浓度传感器安装在飞机货舱的内部；信号接收装置和工控机安装在飞机货舱外，其中工控机通过信号接收装置分别与数据发送与控制指令接收单元和烟雾浓度传感器无线连接，同时与数据发送与控制指令接收单元无线连接，数据发送与控制指令接收单元同时与出口流量控制电磁阀电连接。
所述加热器采用热电阻丝式加热器。
所述工控机采用研华EPC-P3086。
所述控制器采用STM32型号单片机。
所述数据发送与控制指令接收单元和烟雾浓度传感器通过以太网与信号接收装置连接。
所述工控机通过以太网与数据发送与控制指令接收单元连接。
本发明提供的基于在线机器学习的烟雾流动控制实验系统具有如下有益效果：
可以解决目前市面上现有烟雾发生器无法真正代替真实火灾烟雾进行飞机货舱烟雾探测系统验证实验的现状，采用流动控制理论，根据飞机货舱内的流场数据，采用机器学习算法建立以烟雾发生器边界条件为输入，以模拟烟雾流动特征参数为状态变量的状态空间/传递函数模型，并根据目标指令对飞机货舱内模拟烟雾浓度进行自动闭环控制，具有响应快、自动化程度高等优点，在民用飞机货舱火灾防护领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的基于在线机器学习的烟雾流动控制实验系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的基于在线机器学习的烟雾流动控制实验系统包括烟雾发生器2、烟雾浓度传感器13、信号接收装置14和工控机15；其中，所述烟雾发生器2安装在飞机货舱12的内部，包括壳体及安装在壳体内部的数据发送与控制指令接收单元1、乙二醇溶液储液器3、二氧化碳气瓶4、开关电磁阀5、控制器6、烟雾发生器开关7、过热保护控制电磁阀8、加热器9、温度传感器10、出口流量控制电磁阀11、进气管16和排液管17；进气管16的一端连接在二氧化碳气瓶4上，另一端浸没在乙二醇溶液储液器3内的乙二醇溶液中；开关电磁阀5安装在进气管16上；排液管17的一端浸没在乙二醇溶液储液器3内的乙二醇溶液中，另一端贯穿壳体后位于壳体的外部；过热保护控制电磁阀8、加热器9、温度传感器10和出口流量控制电磁阀11依次安装在排液管17上；烟雾发生器开关7安装在壳体上；控制器6分别与开关电磁阀5、烟雾发生器开关7、过热保护控制电磁阀8和温度传感器10电连接；烟雾浓度传感器13安装在飞机货舱12的内部；信号接收装置14和工控机15安装在飞机货舱12外，其中工控机15通过信号接收装置14分别与数据发送与控制指令接收单元1和烟雾浓度传感器13无线连接，同时与数据发送与控制指令接收单元1无线连接，数据发送与控制指令接收单元1同时与出口流量控制电磁阀11电连接。
所述加热器9采用热电阻丝式加热器。
所述工控机15采用研华EPC-P3086。
所述控制器6采用STM32型号单片机。
所述数据发送与控制指令接收单元1和烟雾浓度传感器13通过以太网与信号接收装置14连接。
所述工控机15通过以太网与数据发送与控制指令接收单元1连接。
现将本发明提供的基于在线机器学习的烟雾流动控制实验系统的工作原理阐述如下：
当需要在飞机货舱12内进行烟雾探测系统验证实验时，首先由实验人员打开烟雾发生器开关7而启动烟雾发生器2，在控制器6的控制下，开关电磁阀5和过热保护控制电磁阀8将打开，这时二氧化碳气瓶4内的二氧化碳气体将通过进气管16及开关电磁阀5流入乙二醇溶液储液器3中，乙二醇溶液储液器3中的乙二醇溶液受二氧化碳气体的增压作用将流入排液管17，首先流过过热保护控制电磁阀8，之后流入加热器9，在流经加热器9时将被加温至完全蒸发，然后经温度传感器10流入出口流量控制电磁阀11，并经出口流量控制电磁阀11调节流量之后喷在飞机货舱12内并在空气中遇冷重新凝华为液滴，从而形成烟雾；在此过程中，温度传感器10将实时检测经加热器9加热后的乙二醇溶液温度并传送给控制器6；一旦发现检测温度超过预先设定的温度阈值，控制器6将向过热保护控制电磁阀8发送控制指令而将其关闭，从而起到超温保护的作用。
为辨识烟雾发生器2出口流量与飞机货舱12内烟雾浓度之间的传递函数/状态空间数学模型，首先利用工控机15向烟雾发生器2内部的数据发送与控制指令接收单元1发送指令，驱动出口流量控制电磁阀11以伪随机信号(PRBS信号)的方式作动，数据发送与控制指令接收单元1同时记录出口流量控制电磁阀11的开度随时间变化的数据，在烟雾发生器2发出烟雾之后，烟雾将在飞机货舱12内扩散，这时会造成飞机货舱12内的烟雾浓度传感器13产生响应，数据发送与控制指令接收单元1和烟雾浓度传感器13将通过以太网将出口流量控制电磁阀11的开度数据和烟雾浓度传感器13检测的烟雾浓度数据发送给信号接收装置14，工控机15从信号接收装置14处读取上述数据后采用ARX算法辨识得到出口流量控制电磁阀11的开度数据与飞机货舱12内烟雾浓度的传递函数/状态空间模型。
在完成上述传递函数/状态空间模型辨识之后，由实验人员在工控机15上输入飞机货舱12内烟雾浓度的目标值，工控机15将根据传递函数/状态空间模型和烟雾浓度传感器13检测的烟雾浓度数据生成出口流量控制电磁阀11开度的控制指令，并将该指令通过以太网发送给数据发送与控制指令接收单元1，进而驱动出口流量控制电磁阀11按照控制指令进行作动，最终形成对飞机货舱12内烟雾浓度的闭环控制。

Claims (6)

1.一种基于在线机器学习的烟雾流动控制实验系统，其特征在于：所述基于在线机器学习的烟雾流动控制实验系统包括烟雾发生器(2)、烟雾浓度传感器(13)、信号接收装置(14)和工控机(15)；其中，所述烟雾发生器(2)安装在飞机货舱(12)的内部，包括壳体及安装在壳体内部的数据发送与控制指令接收单元(1)、乙二醇溶液储液器(3)、二氧化碳气瓶(4)、开关电磁阀(5)、控制器(6)、烟雾发生器开关(7)、过热保护控制电磁阀(8)、加热器(9)、温度传感器(10)、出口流量控制电磁阀(11)、进气管(16)和排液管(17)；进气管(16)的一端连接在二氧化碳气瓶(4)上，另一端浸没在乙二醇溶液储液器(3)内的乙二醇溶液中；开关电磁阀(5)安装在进气管(16)上；排液管(17)的一端浸没在乙二醇溶液储液器(3)内的乙二醇溶液中，另一端贯穿壳体后位于壳体的外部；过热保护控制电磁阀(8)、加热器(9)、温度传感器(10)和出口流量控制电磁阀(11)依次安装在排液管(17)上；烟雾发生器开关(7)安装在壳体上；控制器(6)分别与开关电磁阀(5)、烟雾发生器开关(7)、过热保护控制电磁阀(8)和温度传感器(10)电连接；烟雾浓度传感器(13)安装在飞机货舱(12)的内部；信号接收装置(14)和工控机(15)安装在飞机货舱(12)外，其中工控机(15)通过信号接收装置(14)分别与数据发送与控制指令接收单元(1)和烟雾浓度传感器(13)无线连接，同时与数据发送与控制指令接收单元(1)无线连接，数据发送与控制指令接收单元(1)同时与出口流量控制电磁阀(11)电连接。
2.根据权利要求1所述基于在线机器学习的烟雾流动控制实验系统，其特征在于：所述加热器(9)采用热电阻丝式加热器。
3.根据权利要求1所述基于在线机器学习的烟雾流动控制实验系统，其特征在于：所述工控机(15)采用研华EPC-P3086。
4.根据权利要求1所述基于在线机器学习的烟雾流动控制实验系统，其特征在于：所述控制器(6)采用STM32型号单片机。
5.根据权利要求1所述基于在线机器学习的烟雾流动控制实验系统，其特征在于：所述数据发送与控制指令接收单元(1)和烟雾浓度传感器(13)通过以太网与信号接收装置(14)连接。
6.根据权利要求1所述基于在线机器学习的烟雾流动控制实验系统，其特征在于：所述工控机(15)通过以太网与数据发送与控制指令接收单元(1)连接。
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