李宗帥　林家泉　王修巖

摘 要： 針對基于地面橋載空調(diào)的民航飛機(jī)客艙溫度控制中的系統(tǒng)建模問題，采用基于機(jī)理建模以及參數(shù)辨識相結(jié)合的方法，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并采用模糊PID進(jìn)行了仿真控制實驗。首先詳細(xì)分析橋載空調(diào)給飛機(jī)客艙制冷的工作原理；在此基礎(chǔ)上，通過線性化假設(shè)，機(jī)理建模以及參數(shù)辨識相結(jié)合的方法，建立系統(tǒng)模型；最后采用模糊PID控制算法，進(jìn)行閉環(huán)控制仿真實驗，實驗結(jié)果證明了系統(tǒng)模型的合理性。該模型對從事飛機(jī)地面空調(diào)控制的研究具有參考意義。

關(guān)鍵詞： 飛機(jī)地面空調(diào)； 客艙； 系統(tǒng)建模； 模糊PID； 溫度控制

中圖分類號： TN954+.2?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0005?05

Abstract： In allusion to the modeling of civil aviation aircraft cabin temperature control system based on airport bridge?borne air conditioner， the mathematic model of the system is built by using the method based on the combination of mechanism modeling and parameter identification， and the simulation experiment is carried out by using the fuzzy PID control. The working principle of the bridge?borne air conditioner refrigeration for aircraft cabins is elaborated. On this basis， the system model is constructed by using the method of combining linear assumption， mechanism modeling and parameter identification. The closed?loop control simulation experiment was carried out by using the fuzzy PID control algorithm. The experimental results prove the rationality of the system model. The model has reference significance for ground air conditioner control research.

Keywords： airplane ground air conditioner； cabin； system modeling； fuzzy PID； temperature control

0 引 言

節(jié)能減排工作是目前我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中所要面臨的一個重要問題，加強(qiáng)節(jié)能減排是提高生態(tài)文明以及經(jīng)濟(jì)質(zhì)量的根本途徑，國家陸續(xù)出臺了相應(yīng)的政策，鼓勵支持節(jié)能減排。對此，中國民航局出臺了《關(guān)于加快推進(jìn)節(jié)能減排工作的指導(dǎo)意見》，明確了全行業(yè)加快推進(jìn)節(jié)能減排工作的指導(dǎo)思想、主要原則和工作目標(biāo)。采用機(jī)場地面橋載空調(diào)替代飛機(jī)APU是民航業(yè)節(jié)能減排的重要內(nèi)容之一。減少APU的使用，減少了燃油的消耗量以及噪聲，可以獲得良好的空氣質(zhì)量和環(huán)境，從而提高機(jī)場服務(wù)質(zhì)量，具有重要的社會和經(jīng)濟(jì)意義[1?2]。

然而，在推廣“橋載設(shè)備替代機(jī)載APU”節(jié)能方法的過程中，調(diào)研結(jié)果反映出部分機(jī)場的一些問題，導(dǎo)致APU“關(guān)不掉”，并且在使用過程中還存在一些問題，致使節(jié)能效果不能達(dá)到最優(yōu)。問題主要集中在以下兩點：

（1） 如果不能對橋載空調(diào)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化控制，飛機(jī)客艙的熱舒適度差。

（2） 滿足客艙熱舒適性前提下的能耗最優(yōu)問題。

目前有的國內(nèi)大部分機(jī)場為了單純追求空調(diào)制冷或者制熱效果，而不考慮過站飛機(jī)機(jī)型和橋載空調(diào)型號的差異，控制方式單一，白白消耗了大量電能，沒有達(dá)到能耗的最優(yōu)化。

因此在飛機(jī)客艙熱舒適性的前提下，實現(xiàn)橋載空調(diào)的優(yōu)化控制是關(guān)鍵問題。本文作者所在課題組對該問題進(jìn)行了研究，在文獻(xiàn)[3]中采用CFD方法，考慮客艙構(gòu)型、人體以及周圍環(huán)境的影響，對A320飛機(jī)客艙熱舒適性的數(shù)值模擬進(jìn)行了研究，得出橋載空調(diào)送風(fēng)口速度與客艙熱舒適性評價指標(biāo)ADPI的關(guān)系。圖1（a）為懸掛式飛機(jī)地面橋載空調(diào)系統(tǒng)，圖中黃色的軟管為送風(fēng)管，將連接至飛機(jī)機(jī)身下部的進(jìn)風(fēng)口處，如圖1（b）所示，長度一般在30～40 m。進(jìn)而通過橋載空調(diào)為飛機(jī)客艙制冷或者制熱。

優(yōu)化控制的前提是需要對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有深刻的研究，然而由于系統(tǒng)本身的非線性、不確定性等因素的影響，模型的建立非常困難。目前還沒有發(fā)現(xiàn)對地面空調(diào)為飛機(jī)客艙制冷制熱建模相關(guān)方面研究的報道。本文詳細(xì)給出了飛機(jī)地面空調(diào)的基本結(jié)構(gòu)以及為飛機(jī)客艙制冷制熱的工作原理。在此基礎(chǔ)上通過機(jī)理建模與系統(tǒng)辨識的方法，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，為飛機(jī)地面橋載空調(diào)的優(yōu)化控制研究提供參考。

1 橋載空調(diào)的基本結(jié)構(gòu)

及工作原理

飛機(jī)地面橋載空調(diào)一般置于廊橋之下，利用相對較長的送風(fēng)管道，通過飛機(jī)機(jī)身下面的外部空調(diào)專用接口，為風(fēng)機(jī)客艙送風(fēng)。一般具有通風(fēng)、除

濕、制冷以及制熱的功能，為客艙乘客以及機(jī)務(wù)維修人員提供較為舒適的環(huán)境[1?2]。

飛機(jī)地面空調(diào)有多種形式，常見的有單元式、集中式、混合式以及超低溫式。我國民用機(jī)場95%以上是單元式地面空調(diào)，集中式有少數(shù)應(yīng)用，混合式以及超低溫式目前國內(nèi)機(jī)場沒有相關(guān)使用的報道[1，4]。單元式地面空調(diào)一般由風(fēng)機(jī)、若干冷凝器、若干壓縮機(jī)、若干蒸發(fā)器以及控制系統(tǒng)等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。A320飛機(jī)國際標(biāo)準(zhǔn)[5]要求外界大氣溫度在38 ℃時，需要制冷時，要求空調(diào)出風(fēng)軟管與飛機(jī)接口處的溫度為1.5 ℃，要求在30 min內(nèi)，使客艙溫度達(dá)到27 ℃。當(dāng)外界氣溫在-23 ℃，需要制熱時，要求空調(diào)出風(fēng)軟管與飛機(jī)接口處的溫度為70 ℃，要求30 min內(nèi)，使客艙的溫度達(dá)到21 ℃。endprint

其工作原理是：當(dāng)需要制冷時，外界空氣通過過濾器過濾，然后經(jīng)過一級蒸發(fā)器、二級蒸發(fā)器、三級蒸發(fā)器、四級蒸發(fā)器，通過層層冷卻，將冷風(fēng)送入飛機(jī)客艙。四級壓縮機(jī)可以同時工作，也可以根據(jù)實際需要選擇其中的某一級或幾級工作。制熱時，外部空氣通過進(jìn)風(fēng)口處的一級加熱器加熱，然后通過送風(fēng)機(jī)再進(jìn)入出風(fēng)口處的加熱器，通過二次加熱，將熱風(fēng)送入飛機(jī)客艙。

2 空調(diào)控制系統(tǒng)建模

2.1 系統(tǒng)建模

目前國內(nèi)機(jī)場飛機(jī)地面空調(diào)的控制均采用開環(huán)的控制方式，沒有實時反饋飛機(jī)客艙的溫濕度，進(jìn)行地面空調(diào)的閉環(huán)控制；大多數(shù)是使空調(diào)按照單一的方式最大功率來運(yùn)行，或者按照以往的經(jīng)驗，根據(jù)實際的天氣狀況，對地面空調(diào)進(jìn)行分段式控制。針對此本文設(shè)計了閉環(huán)控制系統(tǒng)，機(jī)務(wù)人員可以在客艙放置適量的無線溫濕度傳感器，飛機(jī)客艙的溫濕度實時反饋到計算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的方框圖如圖3所示。外部干擾主要是外部大氣的溫濕度以及太陽輻射。

飛機(jī)地面空調(diào)系統(tǒng)與飛機(jī)客艙構(gòu)成的系統(tǒng)是一個復(fù)雜的熱力學(xué)系統(tǒng)，還要受到空調(diào)外部送風(fēng)管道以及飛機(jī)客艙內(nèi)部復(fù)雜通風(fēng)管道的影響，具有較大的滯后性、非線性，很難精確地推導(dǎo)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

本文采用機(jī)理建模以及參數(shù)辨識相結(jié)合的方法來建立整個系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，考慮飛機(jī)客艙的特性，將其看作是一個單容的對象，根據(jù)能量守恒定律[6]可得：

2.2 參數(shù)辨識

以A320飛機(jī)為例子，單獨考慮外部空調(diào)制冷對飛機(jī)客艙的影響，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，外界環(huán)境溫度為38 ℃；要求地面空調(diào)出風(fēng)口最大風(fēng)流量約為4 500 m3/h，最大輸出壓力為3 500 Pa情況下，30 min，客艙溫度降到27 ℃，送風(fēng)管道與飛機(jī)接口處的溫度為1.5 ℃。通過了解，一般冷風(fēng)從空調(diào)出風(fēng)口到飛機(jī)機(jī)身下面的空調(diào)接口大約需要10 s，再考慮飛機(jī)內(nèi)部送風(fēng)管道以及客艙容積滯后約為10 s。

初始條件：外部環(huán)境氣溫38 ℃，機(jī)艙內(nèi)的溫度要比外界環(huán)境溫度高一些，假設(shè)飛機(jī)客艙內(nèi)的初始溫度為40 ℃。根據(jù)上述數(shù)據(jù)和圖4所示的系統(tǒng)模型辨識方法，得到系統(tǒng)的開環(huán)響應(yīng)曲線如圖5所示，最后可以求得系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

3 基于模糊PID的仿真研究

3.1 模糊PID算法

模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，基于現(xiàn)場人員的控制經(jīng)驗，對數(shù)學(xué)模型的依賴度不高，對被控對象的參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性，尤其適合于非線性、純滯后比較大系統(tǒng)的控制[7?10]。

從式（3）可以看出系統(tǒng)傳遞函數(shù)具有很強(qiáng)的非線性以及不確定性，并且延時比較大，正好滿足模糊控制的適用對象，因此本文采用模糊PID對系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。由于機(jī)場本身的特殊性，物理實驗?zāi)壳昂茈y在現(xiàn)場進(jìn)行。模糊PID控制結(jié)構(gòu)如圖6所示，圖7是本文所建立的基于模糊PID控制器的控制系統(tǒng)仿真模型，圖8是模糊PID部分的具體實現(xiàn)?？梢?，需要對偏差以及偏差變化率進(jìn)行模糊化，然后確定[KP]，[KI]以及[KD]的控制規(guī)則，得到它們的模糊規(guī)則表，最后采用加權(quán)平均的方法解模糊化得到PID控制器中所需要的[KP]，[KI]以及[KD]。

控制系統(tǒng)中被控對象的典型動態(tài)響應(yīng)曲線如圖9所示，可以分為AB，BC，CD，DE，EF，F(xiàn)G，GH，HI等部分。

AB部分：偏差e>0，且e逐漸減??；e的變化率大于零，且逐漸減小。這個部分e比較大時應(yīng)該采用較大的KP，積分系數(shù)KI為0，微分系數(shù)KD為0。隨著偏差e逐漸變小，當(dāng)接近B點時，應(yīng)該適當(dāng)增加KI，KD的值，減小KP的值。

BC部分：偏差e<0，且[e]逐漸增大；e的變化率大于零，且逐漸減小。為了減小超調(diào)。

在B點附近KP取較大值，KI取較小值，然后隨著偏差加大，減小KP，增大KI，KD。

CD部分：偏差e<0，且[e]逐漸減小；e的變化率小于零，且逐漸減小。此時，KP應(yīng)逐漸增加，KI和KD減小。

DE部分：偏差e>0，且e逐漸變大；e的變化率小于零，且逐漸減小。此時，KP應(yīng)逐漸減小，KI和KD增大。

EF部分：偏差e>0，且e逐漸減??；e的變化率大于零，且逐漸減小。這段類似于AB段接近于B時的情況，只是變化更小，與AB部分相比，KP，KI和KD適當(dāng)減小。

FG部分：KP應(yīng)逐漸增加，KI和KD減小。與BC段類似，與BC部分相比，KP，KI和KD要減小。

GH部分：偏差e>0，且e逐漸變大；e的變化率小于零，且逐漸減小。類似于CD段，與CD部分相比，KP，KI和KD要減小。

根據(jù)以上規(guī)則，建立KP，KI和KD的模糊規(guī)則表1～表3所示。三者的論域選擇如下：

3.2 仿真實驗

在實際現(xiàn)場，由于地面空調(diào)的制冷量不同，造成了控制的方式也有所不同，典型的A320飛機(jī)要求的制冷量在150 kW左右，B767飛機(jī)則是210 kW，A380客機(jī)則能夠達(dá)到640 kW左右，機(jī)場在飛機(jī)泊位時，盡量安排相應(yīng)的飛機(jī)到具備相應(yīng)容量地面空調(diào)的廊橋下，但是有時也會有變動，這時就會對空調(diào)的控制提出更高的要求，實現(xiàn)既節(jié)能又能夠滿足客艙舒適性的需求，在本實驗仿真中，假定地面空調(diào)制冷量為163 kW，其風(fēng)量最大為9 500 m3/h，客艙的初始溫度為40 ℃，給定的參考溫度為25 ℃。仿真實驗結(jié)果如圖10所示，從仿真結(jié)果可以看出客艙的溫度從初始40 ℃降到27 ℃大約時間在2 000 s，也即30 min，能夠滿足提出的指標(biāo)要求?？紤]系統(tǒng)模型參數(shù)的攝動：分別就滯后時間[τ=20]s，[τ=30]s如圖11所示進(jìn)行了實驗研究；對T=350，T=410進(jìn)行了實驗。

4 結(jié) 語

本文就飛機(jī)地面橋載空調(diào)設(shè)備的結(jié)構(gòu)以及工作原理進(jìn)行了詳盡的說明，在此基礎(chǔ)上，忽略各種次要因素，采用機(jī)理建模以及實際數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，推導(dǎo)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，由于模型的非線性以及不確定性，在模型中引入變動系數(shù)。針對該模型的特點，采用模糊PID進(jìn)行控制仿真實驗，實驗結(jié)果證明了模型的合理性。未來研究的重點有兩個：一是模型的進(jìn)一步細(xì)化，考慮空調(diào)輸入以及外部大氣的耦合情況，研究模型不確定因素對系統(tǒng)控制的影響；二是針對這種模型，研究適合與該模型的智能控制算法，以取得良好的控制效果。

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