跑道異物檢測光學傳感器艙環控系統實驗研究

周云霆 余南陽 范若琛

跑道異物檢測光學傳感器艙環控系統實驗研究

周云霆1余南陽1范若琛2

（1.西南交通大學機械工程學院 成都 610031；2.中國民用航空局第二研究所 成都 610041）

通過對機場跑道異物檢測光學傳感器艙內溫度以及環控系統運行參數的實驗測試，分析鏡頭類型、環控系統控制方式及控制參數對艙內溫度的影響。實驗結果表明：鏡頭類型對艙內空氣平均溫度穩態變化值影響小于3%；環控系統采用串級調節，供液溫度設置為28℃，壓縮機差動范圍設置為1℃，主調節器死區溫度取0.2℃、采樣時間取10min、比例系數取2.5時，可滿足環控要求且利于環控系統節能。

FOD光學探測系統；環控系統；實驗分析；控制策略

0 引言

塔架式機場跑道異物（FOD）光學探測系統是利用光學檢測技術發現機場跑道異物的探測系統，是當前維護機場跑道運行安全的先進解決方案之一[1]。探測系統中的光學傳感器艙設計安裝于全國主要機場跑道兩側的塔架上，艙外環境的氣象條件較為復雜。與此同時，傳感器艙內高清光學鏡頭焦距可達2000mm，且在對機場跑道掃描過程中需要通過對焦模塊與精密伺服云臺進行連續對焦，對其所處的艙內環境參數有較高要求[2]。因此對塔架式光學機場跑道異物傳感器艙環控系統的研究十分必要。

目前對光學設備所處艙體的環控技術研究較多，主要涉及被動熱控、主動熱控及防結露技術。常用的被動熱控技術有艙體表面及其與基座連接處采用保溫隔熱材料，艙體外表面噴涂熱控涂層或設置遮陽罩，采用高導熱、高熱容材料改善艙體熱特性等[3]。主動熱控技術有采用電加熱、熱電制冷或蒸汽壓縮制冷等方式控制艙內溫度，采用風扇提高艙內溫度均勻性等，控制系統多采用開關控制與PID控制，部分采用預估補償控制、串級控制與模糊控制等改善控制品質[4,5]。防結露技術有艙體密封、放置干燥劑、采用中空玻璃、敷設ITO薄膜、改變玻璃表面疏水性、設置電動雨刷等[6,7]。針對塔架式光學機場跑道異物傳感器艙的環控技術研究則較少，2018年劉雙富提出了艙體壁面輻射換熱結合強化對流的控制方案，并進行了實驗驗證[8]。

本文在上述研究的基礎上，通過實驗分析鏡頭類型、環控系統控制方式及控制參數對艙內溫度的影響。

1 傳感器艙及其環控要求

1.1 塔架式光學FOD傳感器

本文所研究的對象為某研究所研發的塔架式光學FOD傳感器，設備安裝于距機場跑道中線約150m的塔架上，塔架高度從1m到6m不等，其實物圖如圖1所示[2]。

圖1 光學FOD傳感器實物圖

需要環控的區域為圖1中部的方形鋁合金傳感器艙。傳感器艙內安裝有高清光學鏡頭、數字攝像機、對焦模塊以及網絡通信模塊等，艙上安裝有補光器，側邊通過轉軸與精密伺服云臺相連。

1.2 傳感器艙環控要求

表1 穩態設計工況及其環控要求

各設計工況均要求艙內空氣溫差小于2℃。

2 艙內空氣溫度的調節方式

為達到上述環控要求，現采用的環控方案如圖2所示[8]。

圖2 環控方案示意圖

傳感器艙外設置遮陽罩，艙內安裝風扇加強對流換熱，外殼采用聚氨酯發泡保溫，保溫材料與外殼之間敷設換熱管，管內走一定溫度的防凍液。防凍液溫度由冷熱源設備控制。冷熱源設備由防凍液箱、制冷裝置（由壓縮機、蒸發器、冷凝器、毛細管等組成）、電加熱器、可調速水泵、控制系統等組成。

現有環控方案僅保持供液溫度恒定，在非穩態工況下還不能滿足環控要求。本文采用串級調節減小非穩態工況艙內空氣溫度變化值，并進行采樣控制。主調節器選擇帶死區的增量式比例調節器，依據傳感器艙內空氣溫度的增量調節防凍液溫度的增量[10]。供液溫度通過制冷裝置雙位調節與電加熱管PID調節控制。艙內空氣溫度控制示意圖見圖3。

當防凍液箱有冷負荷時，通過雙位調節器控制壓縮機啟停來控制防凍液箱內溫度。當防凍液箱中的溫度高于給定值上偏差，壓縮機通電運轉制冷；當防凍液箱中的溫度低于給定值下偏差，壓縮機斷電停轉，箱內溫度逐漸回升。

圖3 艙內空氣溫度控制示意圖

當防凍液箱有熱負荷時，通過PID調節器控制電加熱管功率來控制防凍液箱內溫度。電加熱管PID調節器的設定溫度為制冷裝置雙位調節器設定溫度的下偏差，以避免電加熱管與制冷裝置冷熱量相互抵消。

3 環控系統實驗分析

3.1 實驗設備

采用塔架式光學FOD傳感器艙實物進行實驗，安裝于傳感器艙內部的鏡頭、相機及其他電子元件等對其外部輪廓進行簡化后，按相同材質相同尺寸加工其外殼模型，并按照元件發熱情況在模型內部安裝發熱電阻，傳感器艙內部結構如圖4所示。

圖4 傳感器艙內部結構

溫度測量與采集設備由熱電偶和數據采集器組成，熱電偶型號采用T型ETA1006T，數據采集器為安捷倫34980A。太陽輻射值測量儀器采用DELTA-T公司的SPN1型號日照強度計，風速測量設備采用testo-425熱線風速儀。

艙內空氣溫度測點共布置14個，分別為前、中、后艙上下左右四個位置的12個測點以及鏡頭前與相機后的2個測點。艙內壁面溫度測點共15個，分別為前、中、后艙上下左右四個位置的12個測點以及玻璃內外表面與后端蓋內表面3個測點。

3.2 鏡頭類型對艙內溫度的影響

圖5 鏡頭類型對艙溫變化的影響

由圖5可以看出鏡頭類型對艙內空氣溫度變化影響較小，安裝a型鏡頭與b型鏡頭的艙內空氣平均溫度穩態變化值差值小于3%。

3.3 控制參數實驗分析

3.3.1 壓縮機差動范圍

表2 壓縮機控制方式對比

通過上述對比可以看出，由于傳感器艙對供液溫度波動有一定的衰減和延遲作用，采用方式三，雖然防凍液溫度波動較前兩種控制方式大，但傳感器艙空氣溫度波動仍可控制在0.1℃左右，且壓縮機啟停頻率明顯降低。因此選定該控制方式控制供液溫度。

3.3.2 供液溫度

（1）供液溫度對艙內溫度極值的影響

供液溫度直接影響艙內空氣與壁面溫度的極值，通過實驗測得，高溫工況艙內最高空氣溫度以及高濕工況艙內外最低壁面溫度與供液溫度的關系如圖6所示。

圖6 高溫、高濕工況艙內溫度

從圖6中可以看出，供液溫度每增加1℃，高溫工況艙內最高空氣溫度與高濕工況艙內最低壁面溫度約增加0.87℃。當供液溫度為28℃時，高濕工況艙內最低壁面溫度高于環境露點溫度且高溫工況艙內最高空氣溫度不超過35℃，留有5℃安全余量。因此高溫、高濕工況下供液溫度取28℃。通過實驗測得供液溫度為28℃時，低溫工況艙內空氣最低溫度高于23℃，滿足環控要求。

（2）傳感器艙負荷分布

由于在傳感器艙內及環控系統中存在電子元件、散熱風扇以及水泵等發熱元件，且傳感器艙及環控系統外表面大部分敷設保溫材料，因此當環境溫度低于傳感器艙內空氣溫度的數值不大時，傳感器艙仍有冷負荷。通過監測壓縮機與加熱管工作狀態可以判斷相應工況下環控系統的冷熱負荷情況。實驗結果表明在無太陽輻射、無風條件下，當環境溫度高于5℃時，環控系統均有冷負荷；在有太陽輻射時，環控系統出現熱負荷時的環境溫度更低。

當環控系統有冷負荷時，提高供液溫度設定值可降低冷熱源用電量，延長壓縮機啟停周期。當環控系統由熱負荷時，理論上也可適當降低供液溫度節能，但降低供液溫度會導致防凍液粘度增加，管內流速變慢，對傳感器艙內空氣溫度控制和水泵運轉不利。此外除嚴寒地區的冬季，其他地區環控系統熱負荷維持時間相對較短，節能效果不明顯。綜合上述分析，供液溫度穩態工況全年均設置為28℃。

3.3.3 主調節器控制參數分析

（1）死區溫度

由于傳感器艙內空氣溫度自身有0.1℃的波動，為減弱該波動對調節過程的影響，綜合考慮設置0.2℃的死區溫度范圍。

（2）采樣周期

采樣周期的選擇應綜合考慮以下幾方面[10]：

（a）采樣周期應大于傳感器艙的純延遲時間2min，否則環控系統易出現震蕩；

（b）采樣周期應大于供液溫度的調節時間，否則采樣周期失去意義，本文環控系統供液溫度變化3℃時，升溫時間約需2min，降溫時間約需5min；

（c）設置死區溫度范圍后，過小的采樣周期將無法引起主調節回路動作。本文環控系統采樣周期在9~20min時，在1h內不引起主調節回路動作的艙內空氣溫度最大變化值小于2℃；

（d）在考慮上述方面以及控制器運算速度后，采樣周期應盡可能小，以便能夠及時監測并調整艙內空氣溫度。

綜上分析，為能夠及時監測、調整艙內空氣溫度以及控制方便，采樣周期設置為10min。

（3）比例系數

通過實驗測試分析，當死區溫度取0.2℃，采樣周期取10min時，不同比例系數非穩態降溫工況艙內空氣平均溫度變化曲線如圖7所示。

圖7 不同比例系數艙溫變化曲線

由圖7可知，比例系數取2、2.5、3時，艙內空氣平均溫度1h變化值均小于2℃，分別約為1.79℃、1.56℃、1.55℃。比例系數取2.5已能夠達到比例系數取3時的控制效果且留有0.44℃左右余量，因此本文環控系統比例系數取2.5。

4 結論

本文通過對光學機場跑道異物傳感器艙內溫度以及環控系統運行參數的實驗測試，分析鏡頭類型、環控系統控制方式及控制參數對艙內溫度的影響，得出以下結論：

（1）鏡頭類型對艙內空氣溫度變化影響較小，安裝a型鏡頭與b型鏡頭的艙內空氣平均溫度穩態變化值差值小于3%。

（2）采用串級調節控制艙內溫度，供液溫度設置為28℃，壓縮機差動范圍設置為1℃，主調節器死區溫度取0.2℃、采樣時間取10min、比例系數取2.5時，可滿足環控要求且利于環控系統節能。

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[2] 王瑾.一種混合制式機場跑道異物探測系統[J].科技視界,2019,(9):16-19.

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[8] 劉雙富,余南陽.機場跑道異物探測系統光學探測轉臺溫度控制實驗研究[J].制冷與空調,2019,33(1):98-102.

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[10] 邵裕森,戴先中.過程控制工程（第2版）[M].北京:機械工業出版社,2011.

Experimental Study on the Environmental Control System of theOptical Airport Runway Foreign Object Debris Sensor Cabin

Zhou Yunting1Yu Nanyang1Fan Ruochen2

( 1.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031;2.The Second Research Institute of CAAC, Chengdu, 610041 )

This paper analyzes the effects of lens type, environmental control system control method and control parameters on cabin temperature through experimental tests on the temperature of the optical sensor cabin of the airport runway foreign object debris detection and the operating parameters of the environment control system. The experimental results show that the effect of the lens type on the steady-state change of the average temperature of the air in the cabin is less than 3%, when the environmental control system adopts cascade adjustment, the liquid supply temperature is set to 28℃, the compressor differential range is set to 1℃,the temperature of the dead zone of the main regulator is 0.2℃, the sampling time is 10min, and the scale factor is 2.5, it can meet the requirements of environmental control and is conducive to energy saving of the environmental control system.

FOD optical detection system; environmental control system; experimental analysis; control strategy

TK124

A

1671-6612（2021）01-027-05

周云霆（1995-），男，在讀碩士研究生，E-mail：ftzx1001zyt@163.com

余南陽（1961-），男，博士，教授，E-mail：rhinos@126.com

2020-06-17