CN114025567A - 一种直升机液冷控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直升机液冷控制系统，主要由液冷显示控制装置、储液箱、电加热器、增压泵、关断阀、温控活门、液体冷却散热器、过滤器、换热冷板，流量传感器、液位传感器、换热冷板出口温度传感器、入口温度传感器、冷板入口压力传感器、冷板出口压力传感器、压差传感器、储液箱温度传感器T3、增压泵出口压力传感器及管路等组成。液冷显示控制装置与电加热器、增压泵、关断阀、温控活门、液体冷却散热器、以上各传感器进行电气连接。还公开了一种控制方法。本发明通过监测管路中冷却液的温度、运用神经网络PID温控算法，控制液冷系统中管路的温控活门，实现液冷系统冷热温度的闭环调节，冷却液温度响应速度快。

Description

一种直升机液冷控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及航空机载电子设备技术领域，具体的说，是一种直升机液冷控制系统及其控制方法。

背景技术

国内直升机上应用的液冷系统主要是间接液冷方式，间接液冷系统工作时，冷却液通过增压泵增压至管路中循环流动，吸收并带走热量，达到雷达设备的散热。直升机上的液冷系统一般以雷达开启的最大功耗状态为工作条件，需要人工进行干预，是一个开环的运行系统，这不利于液冷系统的监控和控制，同时控制液冷系统的冷却液温度变化率迟滞严重，液冷系统功耗等飞机上的资源也造成不必要的浪费。液冷系统调节冷热温度也主要靠分流管路，可调节性不强，温度的变化容易受到环境、工作状态的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直升机液冷控制系统及其控制方法，实现液冷系统的闭环控制，快速调节温控活门，使换热冷板入口的温度稳定。

本发明通过下述技术方案解决上述问题：

一种直升机液冷控制系统，包括：

储液箱，通过第一管路连接温控活门；第一管路上设置有增压泵和第一关断阀，增压泵出口设置所述第三压力传感器；储液箱内部设有电加热器、液位传感器和第三温度传感器；

温控活门，温控活门的第一输出口连接热边管路，温控活门的第二输出口连接冷边管路，第一冷边管路上设置有液体冷却散热器，冷边管路的输出与热边管路的输出端连通第三管路；

过滤器，过滤器设置在第三管路上，第三管路的输出端分别连接换热冷板管路和溢流阀管路；过滤器的两端设置有压差传感器；

换热冷板设置在换热冷板管路上，溢流阀设置在溢流阀管路上；换热冷板的入口处设置有第一温度传感器和第一压力传感器，出口处设置有第二温度传感器和第二压力传感器；

换热冷板管路和溢流阀管路的输出端连通并连接第四管路，第四管路上设置有流量传感器和第二关断阀；第四管路的输出端连接所述储液箱的输入端；

所述液位传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器电连接液冷显示控制装置；液冷显示控制装置驱动连接所述第一关断阀、第二关断阀、温控活门、增压泵、电加热器、液体冷却散热器和用于配合液体冷却散热器的风机，液冷显示控制装置用于根据接收的控制指令和用户的操作指令控制第一关断阀、第二关断阀、增压泵、电加热器、液体冷却散热器和风机，以及用于根据采集的传感器数据采用神经网络PID温控算法控制温控活门实现系统的闭环调节。

通过监测管路中冷却液的温度、运用神经网络PID温控算法，控制液冷系统中管路的温控活门，实现液冷系统冷热温度的闭环调节，其冷却液温度响应速度快。

所述液冷显示控制装置包括第一插头座、第二插头座、控制板、继电器组、电流取样板和转接板，所述第一插头座通过转接板电连接电流取样板、滤波板和继电器组，所述电流取样板、滤波板和继电器组电连接控制板，所述继电器组的输出连接所述增压泵、电加热器、液体冷却散热器和风机；滤波板的输出连接所述第一关断阀、第二关断阀和温控活门，所述第二插头座通过转接板电连接滤波阵列，滤波阵列连接采集板、主控板、显示屏、导光板和控制板，采集板和主控板电连接，滤波阵列用于从第二插头座获取第一关断阀、第二关断阀和温控活门的反馈信号、采集的传感器数据、用户的操作指令和控制指令，并经采集板传输至主控板，还用于接收主控板的信号并输出至显示屏进行显示或输出至控制板由控制板控制滤波板或继电器组，以及用于接收导光板的信号并输出至主控板。

一种直升机液冷控制方法，包括：

步骤S1：液冷显示控制装置采集用户的操作指令或接收上位机发送的控制指令，启动液冷系统；

步骤S2：液冷显示控制装置上电自检，检测电加热器、增压泵、关断阀、温控活门、液体冷却散热器的状态，以及检测流量传感器、液位传感器、换热冷板出入口温度和压力、过滤器两端压差、储液箱温度和增压泵出口传感器的参数是否正常，识别出液冷系统各组件是否正常；

步骤S3：液冷显示控制装置检测换热冷板的入口温度，采用神经网络PID温控算法计算温控活门开度，调节温控活门开度，直到换热冷板入口温度达到目标温度。

所述步骤S3具体为：

步骤S31：检测换热冷板的入口温度电压信号并转换为温度值；

步骤S32：计算出当前温度值与期望值之间的误差e(k)，由神经网络PID温控算法：

U(k)＝U(k-1)+K_p(e(k)-e(k-1))+K_ie(k)+K_d(e(k)-2e(k-1)+e(k-2)) (1)

ΔU(k)＝K_p(e(k)-e(k-1))+K_ie(k)+K_d(e(k)-2e(k-1)+e(k-2)) (2)

作如下变换：

X₁(k)＝e(k)-e(k-1) (3)

X₂(k)＝e(k) (4)

X₃(k)＝e(k)-2e(k-1)+e(k-2) (5)

将K_p为比例系数、K_i为积分系数、K_d为微分系数，U(k)为控制率；

K_p、K_i、K_d视为矩阵X的加权，记作ω_i(k)；

根据公式(3)、(4)和(5)更新X矩阵，作为调节增量PID的变化因子；

引入比例系数K，则表达式改为：

其中，x_i(k)为X矩阵的值，i＝1,2,3；

根据公式(6)更新ω矩阵，重新计算增量PID△U(k)的值；

根据学习规则更新K_p、K_i、K_d，学习规则如下：

Δω_i(k)＝η_i*e(k)*U(k-1)+ΔU(k)*x_i(k)

其中，U(k-1)为前次计算的结果；η_i为K_p、K_i、K_d比列因子的权重系数；Δω_i(k)为当前增量△U(k)与前次(k-1次)更新后的变化量，通过该变化量决定自学习变化率。

更新输出误差e(k-2),e(k-1)的值，计算出增量PID的最终目标值，并将温控活门的阀门控制量转化为电压；

步骤S33：输出电压并调节温控活门的阀门开度，直到换热冷板入口温度达到目标温度。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明通过监测管路中冷却液的温度、运用神经网络PID温控算法，控制液冷系统中管路的温控活门，实现液冷系统冷热温度的闭环调节，其冷却液温度响应速度快；同时可以计算散热冷板的散热量，可以对雷达进行提示增大功率或降低功率运行，以此提高液冷系统的利用率，降低机上不必要的能耗损失，同时根据检测的温度、压力、流量等参数，自动进行故障诊断和计算出系统吸收的热量，并发送提示信息或故障告警至驾驶舱的任务管理系统，飞行员可根据提示信息进行增加或降低雷达的功率，以此高效、合理的利用机上资源，达到降低整机能耗的目的。

(2)本发明采用神经网络PID温控算法，根据采集的换热冷板入口温度与设定的目标温度差值以及温控活门反馈的开度信号，可快速调节温控活门的开度，使换热冷板入口的温度实时稳定到25±1℃。

(3)雷达开启时，冷却系统不用全功耗运行，直升机冷却系统消耗功率降低60％以上。

(4)动态实时调节，不需要人工干预。

(5)采用温度与压力、压力与流量成线性的关系，若温度或压力、流量任一不正常，可参照其余参数，可以准确定位是传感器故障或者是非传感器引起的故障，从而实现不同程度故障诊断，保证液冷系统安全、可靠的运行。同时可以将液冷系统的故障隔离率做到100％，虚警率从2％降低至0。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为神经网络PID温控算法实现流程图；

图3为液冷显示控制装置的原理框图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

结合附图1所示，一种直升机液冷控制系统，主要由液冷显示控制装置、储液箱、电加热器、增压泵、关断阀、温控活门、液体冷却散热器、过滤器、换热冷板，流量传感器Q、液位传感器L、换热冷板出口温度传感器T1、入口温度传感器T2、冷板入口压力传感器P1、冷板出口压力传感器P2、压差传感器P4、储液箱温度传感器T3、增压泵出口压力传感器P3及管路等组成。液冷显示控制装置与电加热器、增压泵、关断阀、温控活门、液体冷却散热器、以上各传感器进行电气连接。

储液箱的出口与增压泵的入口、增压泵的出口与关断阀一端的入口、关断阀的一端出口与温度活门的进口通过管路连接，温控活门的“Ⅱ号”出口与液体冷却散热器的入口、温控活门的“Ⅰ号”出口与过滤器的入口通过管路连接、液体冷却散热器的出口与过滤器的入口、过滤器的出口与换热冷板的入口、换热冷板的出口与流量传感器的入口、流量传感器的入口与储液箱的入口之间通过管路连接。

温控活门的出口、液体冷却散热器出口、过滤器入口之间通过二进一出的三通管连通。

冷板入口温度传感器T1和冷板入口压力传感器P1位于换热冷板与过滤器之间；

冷板出口温度传感器T2和冷板出口压力传感器P2位于换热冷板与流量传感器Q之间；

流量传感器Q位于换热冷板出口与储液箱之间；

电加热器、液位传感器L、储液箱温度传感器T3位于储液箱内；

增压泵出口压力传感器P3位于增压泵出口与温控活门入口之间；

压差传感器P4位于冷板入口与过滤器入口之间。

液冷显示控制装置采集面板“电源”、“模式”按键和“手动冷/热”的状态，及接收总线发送的控制指令，实现液冷系统的启动或关闭；

液冷显示控制装置上电进行自检，再检测电加热器、增压泵、关断阀、温控活门、液体冷却散热器的状态，以及流量传感器Q、液位L、冷板出入口温度T1和T2、冷板出入口压力P1和P2、压差P4、储液箱温度T3、增压泵出口传感器P3的参数是否正常，识别出液冷系统各组件是否正常；

液冷显示控制装置在自动模式下，自行检测换热冷板入口温度，温控活门开度，运用神经网络PID温控算法调节换热冷板入口温度达到目标温度；

液冷显示控制装置通过采集冷板入口温度传感器T1的温度，通过闭环调节和神经网络PID温控算法进行控制温控活门的开度。其实现过程如图2所示，系统运行后，采集温度电压信号，并转换为温度值，计算出当前次的误差e(K)，并更新X和ω矩阵，重新计算增量PID结果，根据学习规则更新Kp、Ki、Kd值，同时更新输出误差e(k-2)、e(k-1)的值，计算出增量PID的最终目标值，并控制温控活门的开度。

液冷显示控制装置通过实时采集换热冷板入口温度T1/换热冷板入口温度T2和管路流量q，计算出换热冷板发热量的变化梯度△W，具体计算公式如下：

式中Cp为65#冷却液的比热容常数；

根据计算出的冷板发热功率、冷板入口温度和当前状态下活门的开度(0～90°)，可提示飞行员降功率或增加功率操作。如根据冷板进出口温度、冷板散热面积、冷板管道内的体积等因子计算出当前发热功率为10KW，冷板入口温度为25±3℃，活门开度≤50°，可提示飞行员增加功率操作；若计算出当前发热功率为20KW，冷板入口温度为＞30℃，活门开度88±2°时，可提示飞行员降低功率操作；以此达到节能和安全警示的目的。

本发明中具备液冷显示控制装置的液冷控制系统与原有的机载液冷系统相比有益效果是：

(1)采用神经网络PID温控算法，根据采集的换热冷板入口温度与设定的目标温度差值以及温控活门反馈的开度信号，可快速调节温控活门的开度，使换热冷板入口的温度实时稳定到25±1℃。

(2)雷达开启时，冷却系统不用全功耗运行，直升机冷却系统消耗功率降低60％以上。

(3)动态实时调节，不需要人工干预。

(4)采用温度与压力、压力与流量成线性的关系，若温度或压力、流量任一不正常，可参照其余参数，可以准确定位是传感器故障或者是非传感器引起的故障，从而实现不同程度故障诊断，保证液冷系统安全、可靠的运行。同时可以将液冷系统的故障隔离率做到100％，虚警率从2％降至0。

实施例2：

结合附图1和图3所示，所述液冷显示控制装置包括第一插头座、第二插头座、控制板、继电器组、电流取样板和转接板，所述第一插头座通过转接板电连接电流取样板、滤波板和继电器组，所述电流取样板、滤波板和继电器组电连接控制板，所述继电器组的输出连接所述增压泵、电加热器、液体冷却散热器和风机；滤波板的输出连接所述第一关断阀、第二关断阀和温控活门，所述第二插头座通过转接板电连接滤波阵列，滤波阵列连接采集板、主控板、显示屏、导光板和控制板，采集板和主控板电连接，滤波阵列用于从第二插头座获取第一关断阀、第二关断阀和温控活门的反馈信号、采集的传感器数据、用户的操作指令和控制指令，并经采集板传输至主控板，还用于接收主控板的信号并输出至显示屏进行显示或输出至控制板由控制板控制滤波板或继电器组，以及用于接收导光板的信号并输出至主控板。

第一插头座作为供电输入/输出，一路经滤波板后给第二外部执行机构提供电压，另一路经过继电器组给第一外部执行机构供电，控制板通过控制继电器组和滤波板实现控制第一外部执行机构和第二外部执行机构的供电电压的通/断。

第二插头座作为信号输入/输出，它将第二执行部件的反馈信号(温控活动反馈信号和关断阀门反馈信号)、外部传感器采集信号(温度传感器、压力传感器、液冷传感器、压差传感器、流量传感器)和控制指令(RS422总线输入输出信号、其他系统的任务启动信号等)输入屏蔽盒，再由屏蔽盒输入采集板，采集板处理后输入主控板；主控板将输出信号输入屏蔽盒，并由屏蔽盒输入至显示组件、导光板或控制板。

本发明采用两个插头座分别用于供电电路以及信号采集和信号接收，供电电路给外部执行机构如关断阀门、温控活门、增压泵、散热风机和电加热器供电，并由控制板通过控制滤波板控制关断阀门、温控活门的通断；控制板通过控制继电器组控制增压泵、散热风机和电加热器供电的启停；信号采集外部传感器检测的信号通过第二插头座经过滤波阵列输入采集板，经采集板处理后输入主控板，由主控板输出控制信号至滤波阵列后，分别输出至控制板驱动负载或输出至显示屏进行显示；信号接收体现在第二插头座还可以接收其他系统下发/上位机下发的控制指令，并经滤波阵列后传递给采集板再到主控板，完成与其他系统的交互。供电与信号通道独立，互不影响。导光板读取用户输入的按键和开关信号经滤波阵列后输入采集板再到主控板，由主控板->滤波阵列->控制板控制负载，执行用户的指令。由此，本装置实现了液冷控制系统的信号采集与负载控制。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (4)

1.一种直升机液冷控制系统，其特征在于，包括：

储液箱，通过第一管路连接温控活门；第一管路上设置有增压泵和第一关断阀，增压泵出口设置所述第三压力传感器；储液箱内部设有电加热器、液位传感器和第三温度传感器；

温控活门，温控活门的第一输出口连接热边管路，温控活门的第二输出口连接冷边管路，第一冷边管路上设置有液体冷却散热器，冷边管路的输出与热边管路的输出端连通第三管路；

过滤器，过滤器设置在第三管路上，第三管路的输出端分别连接换热冷板管路和溢流阀管路；过滤器的两端设置有压差传感器；

换热冷板设置在换热冷板管路上，溢流阀设置在溢流阀管路上；换热冷板的入口处设置有第一温度传感器和第一压力传感器，出口处设置有第二温度传感器和第二压力传感器；

换热冷板管路和溢流阀管路的输出端连通并连接第四管路，第四管路上设置有流量传感器和第二关断阀；第四管路的输出端连接所述储液箱的输入端；

所述液位传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器电连接液冷显示控制装置；液冷显示控制装置驱动连接所述第一关断阀、第二关断阀、温控活门、增压泵、电加热器、液体冷却散热器和用于配合液体冷却散热器的风机，液冷显示控制装置用于根据接收的控制指令和用户的操作指令控制第一关断阀、第二关断阀、增压泵、电加热器、液体冷却散热器和风机，以及用于根据采集的传感器数据采用神经网络PID温控算法控制温控活门实现系统的闭环调节。

2.根据权利要求1所述的一种直升机液冷控制系统，其特征在于，所述液冷显示控制装置包括第一插头座、第二插头座、控制板、继电器组、电流取样板和转接板，所述第一插头座通过转接板电连接电流取样板、滤波板和继电器组，所述电流取样板、滤波板和继电器组电连接控制板，所述继电器组的输出连接所述增压泵、电加热器、液体冷却散热器和风机；滤波板的输出连接所述第一关断阀、第二关断阀和温控活门，所述第二插头座通过转接板电连接滤波阵列，滤波阵列连接采集板、主控板、显示屏、导光板和控制板，采集板和主控板电连接，滤波阵列用于从第二插头座获取第一关断阀、第二关断阀和温控活门的反馈信号、采集的传感器数据、用户的操作指令和控制指令，并经采集板传输至主控板，还用于接收主控板的信号并输出至显示屏进行显示或输出至控制板由控制板控制滤波板或继电器组，以及用于接收导光板的信号并输出至主控板。

3.一种直升机液冷控制方法，其特征在于，基于如权利要求1或2所述的系统实现，方法包括：

步骤S1：液冷显示控制装置采集用户的操作指令或接收上位机发送的控制指令，启动液冷系统；

步骤S2：液冷显示控制装置上电自检，检测电加热器、增压泵、关断阀、温控活门、液体冷却散热器的状态，以及检测流量传感器、液位传感器、换热冷板出入口温度和压力、过滤器两端压差、储液箱温度和增压泵出口传感器的参数是否正常，识别出液冷系统各组件是否正常；

步骤S3：液冷显示控制装置检测换热冷板的入口温度，采用神经网络PID温控算法计算温控活门开度，调节温控活门开度，直到换热冷板入口温度达到目标温度。

4.根据权利要求3所述的一种直升机液冷控制方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

步骤S31：检测换热冷板的入口温度电压信号并转换为温度值；

步骤S32：计算出当前温度值与期望值之间的误差e(k)，由神经网络PID温控算法：

U(k)＝U(k-1)+K_p(e(k)-e(k-1))+K_ie(k)+K_d(e(k)-2e(k-1)+e(k-2)) (1)

ΔU(k)＝K_p(e(k)-e(k-1))+K_ie(k)+K_d(e(k)-2e(k-1)+e(k-2)) (2)

作如下变换：

X₁(k)＝e(k)-e(k-1) (3)

X₂(k)＝e(k) (4)

X₃(k)＝e(k)-2e(k-1)+e(k-2) (5)

将K_p为比例系数、K_i为积分系数、K_d为微分系数，U(k)为控制率；

K_p、K_i、K_d视为矩阵X的加权，记作ω_i(k)；

根据公式(3)、(4)和(5)更新X矩阵，作为调节增量PID的变化因子；

引入比例系数K，则表达式改为：

其中，x_i(k)为X矩阵的值，i＝1,2,3；

根据公式(6)更新ω矩阵，重新计算增量PID△U(k)的值；

根据学习规则更新K_p、K_i、K_d，学习规则如下：

Δω_i(k)＝η_i*e(k)*U(k-1)+ΔU(k)*x_i(k)

其中，U(k-1)为前次计算的结果；η_i为K_p、K_i、K_d比列因子的权重系数；Δω_i(k)为当前增量△U(k)与前次(k-1次)更新后的变化量，通过该变化量决定自学习变化率。

更新输出误差e(k-2)，e(k-1)的值，计算出增量PID的最终目标值，并将温控活门的阀门控制量转化为电压；

步骤S33：输出电压并调节温控活门的阀门开度，直到换热冷板入口温度达到目标温度。

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