飛機溫度控制系統控制器設計與分析

楊春強 李相斌 戰京景

（天津航空機電有限公司，天津300308）

1 概述

由于飛機復雜電子設備環境、內部成員的變化、大氣環境氣候的改變等因素均會引起飛機熱載荷發生變化[1-2]。根據文獻[3]，人體生理狀況與所處環境密切相關，艙內溫度過高將引起機上人員產生熱暈厥、熱中風、熱虛脫等癥狀；艙內溫度過低又將引起機上人員產生意識障礙癥狀，因此，確保機上人員飛行安全以及舒適的熱環境使得飛機溫度控制系統有著極其重要的意義。相比于軍用飛機、大型民用客機，通用飛機的溫度控制系統復雜度較簡單，在滿足可靠性和安全性的前提下，充分重視成本控制，結合溫度控制系統架構設計，控制器采用成熟度高、可靠性好的模擬電路搭建溫度控制器，在滿足系統功能和性能要求下，省去產品軟件開發開銷，減少后續產品適航取證的工作量。

2 飛機溫度控制系統原理

飛機溫度控制系統在整個飛行剖面內為機上駕乘人員提供安全、舒適的環境。飛機溫度控制系統的基本工作原理為，分兩路從左側發動機、右側發動機引入高溫、高壓空氣，其中一路經供氣管道、駕駛艙活門、引射器等附件后進入駕駛艙；另一路經供氣管道、客艙活門、引射器等附件后進入客艙；控制器作為溫度控制系統的控制中樞，根據駕駛艙內溫度（或客艙內溫度）和控制板駕駛艙設定溫度（或客艙設定溫度）的差值大小，經邏輯計算輸出PWM脈寬調制信號驅動活門的開啟和關閉，實現駕駛艙內溫度和客艙內溫度的動態控制。

3 控制器硬件架構設計

3.1 控制器硬件電路方案

根據溫度控制系統控制需求，采用傳統模擬電路設計控制器的硬件電路。考慮駕駛艙溫度和客艙溫度外部接口和控制要求相同，因此，控制器可設計兩組完全相同的硬件電路，其中一組用于駕駛艙溫度控制，另一組用于客艙溫度控制，本文僅以駕駛艙控制硬件電路為例，進行硬件電路設計方案的分析，控制器駕駛艙控制硬件電路方案如圖1（a）所示。

3.2 關鍵電路設計

3.2.1 電阻信號采集電路

電阻信號采集電路由直流電橋和二級差分放大電路組成，電阻信號采集電路采用單電橋法采集兩線制溫度傳感器PT1000 熱敏電阻信號和溫度設定阻值信號[4]。電阻信號采集電路如圖1（b）所示，R2 為溫度傳感器PT1000 熱敏電阻；R3 為溫度設定阻值，不同溫度檔位對應不同溫度設定阻值R3，且對應R3 的阻值恒定；R5、R6 阻值相同；溫度設定阻值R3 根據電橋平衡原理計算得出，當電橋達到平衡時，駕駛艙內溫度達到溫度設定值要求，控制器處于平衡態，活門開度保持不動，此時，電阻信號采集電路輸出電壓U2 為基準值。

式（1）中，R5 與R6 阻值相同，當電橋達到平衡時推導出式（2），橋路通過電流IN應滿足式（3）要求。

3.2.2 功率驅動電路

為提高活門的使用壽命，減小系統控制超調量，提高動態穩定性，控制器輸出控制信號為周期相同、占空比不同的PWM脈沖信號。圖1（c）為控制器功率驅動電路，采用V3 和V4 復合管方式進一步增強電路動態特性，提高功率回路驅動能力和開關速度。功率驅動電路工作原理為：信號V6 驅動三極管V1、V3、V4 輸出PWM脈沖信號，信號U3 驅動方向控制電路實現活門打開和關閉兩個方向驅動信號的選擇輸出。

4 電路仿真分析

為驗證控制器硬件電路是否滿足控制器控制功能要求，采用Multisim 軟件對硬件電路進行電路仿真，考慮到駕駛艙各個溫度點理論控制過程相同，選取駕駛艙典型控溫點25℃為例進行仿真，具體為：將駕駛艙溫度T1 設定為25℃（對應阻值為77.8Ω）不變，駕駛艙溫度傳感器感受溫度T2 以25℃（對應PT1000 阻值為1097Ω）為起點動態向上和向下進行調節，觀察電路仿真輸出結果。仿真過程注入參數包括三種狀態，分別為平衡狀態、制熱狀態和制冷狀態三種狀態，其中，平衡狀態為：當前駕駛艙溫度值在設定溫度允許范圍內，駕駛艙溫度無需進行調節；制熱狀態為：當前駕駛艙溫度值低于設定溫度允許范圍，駕駛艙溫度需往高調節；制冷狀態為：當前駕駛艙溫度值高于設定溫度允許范圍，駕駛艙溫度需往低調節。模擬實際飛機溫度控制系統駕駛艙溫度變化過程（平衡狀態→制熱狀態→平衡狀態→制冷狀態→平衡狀態），圖2 為電路仿真關鍵節點電壓輸出波形，控制器輸出脈寬調制信號的周期為1.5s，鋸齒波電路輸出信號U5 與絕對值電路輸出信號U4 進行比較，輸出PWM脈寬調制信號U6, 極性比較器輸出信號U3 控制方向控制電路輸出打開或關閉活門方向信號，其中打開活門為制熱，關閉活門為制冷。經過仿真分析，控制器理論溫度控制非敏感區在±2℃范圍內，非敏感區設置可減少活門的頻繁動作和超調，由于系統溫度存在熱慣性，根據經驗推斷，系統非敏感區在±5℃范圍內。

圖2 控制器關鍵電路仿真

5 結論

綜合考慮100%國產化設計、可靠性、用戶成本，采用傳統模擬電路完成飛機溫度控制系統控制器設計，通過硬件電路仿真分析，模擬控制器平衡狀態、制熱狀態和制冷狀態過程，驗證控制器滿足溫度控制系統控制要求，并確定硬件電路理論控制非敏感區，控制非敏感區的設置減小了活門的頻繁動作和溫度超調，提高活門使用壽命。