基于虛擬儀器和模糊控制的液冷控制系統設計

楊鳴坤，龍詩科，慕德俊，柯 捷

(1. 桂林航天工業學院計算機科學與工程學院，廣西 桂林 541004；2. 桂林航天工業學院電子信息與自動化學院，廣西 桂林 541004；3. 西北工業大學自動化學院，陜西 西安 710072)

1 引言

電子設備的存儲和工作與溫度密切相關，一套好的散熱系統可以使其工作良好，反之則會導致系統穩定性降低及其部件壽命的嚴重縮短[1-3]。目前航空客機都朝著全電方向迅猛發展[3]，機載電子設備越來越多，功率越來越大，熱流密度也越來越高。需要研制一套液冷系統來保證大功率電子設備的正常使用。

液冷控制系統的使用方法在于利用液體循環冷卻，通過管道的連接來為遠距離的電子設備降溫，這種方法可以有效消除風冷散熱所帶來的振動機噪聲問題，并使其散熱效果顯著加強[4]。液冷控制系統可通過三通閥門和泵的組合動作使冷卻液在管道中循環流動。該過程中，冷卻液的黏度、容量、比重以及冷卻液在管道中運行時的壓力、溫度、流量都可以直接或間接影響散熱系統的冷卻能力。

國外對軍用電子設備的冷卻給予了足夠的重視[1]，美國啟動HERETIC項目計劃，專注研發高密度高性能設備的散熱系統[4]。項目冷卻目標是1000W/cm2，未來將達到8000W/cm2。國內關于電子設備的冷卻技術發展緩慢，芯片封裝、加工工藝較為落后，相比國外產品性能上還十分欠缺。近年來，液體冷卻技術發展較快，它主要是利用液體帶走電子設備的熱量，從而實現給電子設備的散熱。根據文獻資料[5]，液體相比于氣體，換熱系數高。氣體的強制換熱系數大致是20～100W/(m2· K)，液體的強制換熱系數是氣體的百倍以上[4][6]，高達1500W/(m2·K)。

本文研究并設計了一套液冷控制系統。該液冷系統從實驗機載電子設備的散熱冷板吸收熱量，循環冷卻系統通過泵提供冷卻液的循環動力，帶動冷卻液在管道內循環起來；通過調節三通閥門開度來控制一路流經液-液熱交換器進行降溫與另一路直通的冷卻液的混合比例，從而控制冷卻液的溫度穩定到設定的溫度值，以保證電子設備能夠在合適的溫度范圍內工作。整套系統包括硬件與和軟件兩個部分，涉及測試技術、虛擬儀器技術、信息技術、計算機控制技術。本文主要是以LabWindows/CVI 8.5軟件為編程環境，采用模塊化編程設計的思路，綜合液冷控制系統項目，通過PCI-1802LU多功能數據采集卡和計算機完成數據采集、保存和傳輸，并實現了友好的人機交互界面的開發。

2 液冷系統控制策略

2.1 液冷系統的工作原理

液冷系統通過泵帶動冷卻液在管道中循環，利用散熱冷板將電子設備散發的熱量帶走，并通過調節三通閥的開度控制冷卻液的溫度，使其保持在一定范圍內，三通閥流入的兩路冷卻液一路溫度高，一路被冷卻后降溫，調節三通閥進而改變了兩路冷卻液的混合比例使得流入散熱冷板的冷卻液保持在適當的溫度，最終使得冷卻液通過散熱冷板對電子設備的冷卻效率保持在較高水平，實現為機載電子設備散熱的目的。液冷控制系統的工作原理如圖1所示。

圖1 液冷控制系統的工作原理

圖中理想狀態下，系統管道中冷卻液的總流量為Q0，調節前溫度T0，通過三通閥調節后不經過液-液熱交換器通路的冷卻液流量為Q1，溫度與調節前溫度T0保持一致，通過液-液熱交換器的冷卻液流量為Q2，冷卻后的溫度為T2；兩路冷卻液經過三通閥混合后的流量保持不變，為管道總的流量Q0，冷卻液的溫度降為T。理論分析時設定系統管道沒有熱損耗，且泵輸出功率和管道阻尼保持不變即Q0為定值，則有Q0=Q1+Q2。三通閥是液冷控制系統的重要組成部件。

三通閥的三種狀態分別是：閥門開度為0°，此時流入閥門A端的流量與流出AB端的流量相等；閥門開度在0°到90°之間，此時流入閥門A端和B端流量的總和與流出AB端的流量相等；閥門開度為90°，此時流入閥門B端的流量與流出AB端的流量相等。三通閥開度與流通狀況示意圖如圖2所示。

圖2 三通閥開度與流通狀況示意圖

從三通閥A端流入不經過液-液熱交換器的冷卻液，B端流入經過液-液熱交換器的冷卻液，三通閥門的開度θ范圍為0～90o，通過2～10V的電壓信號Y控制，且跟兩條支路的冷卻液流量線性相關?？刂齐妷簽?V時，三通閥門開度為0o，冷卻液不經過液-液熱交換器支路全部流過則Q1=Q0；控制電壓為10V時，三通閥門開度為90o，液-液熱交換器支路全部流過則Q2=Q0，所以有

(1)

(2)

式中，Q1為冷卻液未經過液-液熱交換器的流量，Q2為冷卻液經過液-液熱交換器的流量，Q0為冷卻液總流量；θ為三通閥門開度，Y為三通閥門的控制電壓。

2.2 三通閥的模糊控制策略

1)確定模糊控制器的結構

本文采用二維模糊控制器，如圖3所示，模糊控制器的兩輸入變量為e(供液溫度設定值與冷卻液溫度之差)、ec(溫差變化率)，單輸出變量u(三通閥門開度的變化量)，為此模糊控制器宜選用兩輸入-單輸出的二維結構形式

圖3 二維模糊控制器

2)確定語言變量需要確定的語言變量有三個，即溫差e、溫差變化ec和三通閥門開度變化u。語言變量的特性如表1所示。

表1 語言變量的特征表

語言變量量化、比例因子的計算

3)確定語言值的隸屬度函數，為了滿足控制精度要求的情況下，選取了高斯函數，如圖4所示。

圖4 隸屬函數分布圖

確定了隸屬度函數，可以計算出語言變量的賦值表。

4)通過工程實踐經驗建立模糊控制規則，根據工程實踐經驗，可以給出模糊控制規則。

5)輸出信息的模糊判別。

在三通閥門控制系統中，模糊控制器的在線控制，就是根據系統當前的溫差和溫差變化率，通過查詢此表作出決策從而進行控制的。

其中三通閥由球閥與角行程執行器兩部分構成。執行器接收標準的調節型信號，將控制閥球(節流元件)旋轉到控制信號指示的位置。三通閥中轉軸是被控對象，閥門轉角是控制量，放大器、直流電機組成控制裝置?？刂葡到y的任務就是在任何擾動(如風或氣流沖擊作用)，三通閥開度始終保持在控制信號的指定角度。閉環控制的三通閥開度方框圖如圖5所示。

圖5 閉環控制的三通閥開度方框圖

3 液冷系統的管路設計方案

管路系統主要是由增壓組件、散熱組件、壓力平衡及加注組件構成。增壓組件包括連接導管、加熱器和泵，是液冷系統工作的動力源；散熱組件包括三通閥、液-液熱交換器，其中三通閥控制算法的研究是液冷系統的核心[7]；壓力平衡及加注組件包括集液箱、液壓空氣濾清器和放液接頭，是液冷系統的安全保障。系統的管路系統組成如圖6所示。

圖6 管路系統組成

1)增壓組件組成及工作原理

冷卻液在集液箱內通過電加熱器組進行加熱。液冷系統裝有兩組電加熱器，每組6個，電加熱器分別安裝在集液管的兩端。系統一上電，首先判斷集液箱內冷卻液的溫度，當集液箱內的冷卻液溫度低于0℃時，兩組電加熱器自動接通對冷卻液進行加熱；當集液箱溫度低于15℃時，僅一組電加熱器自動接通，對冷卻液進行加熱；當集液箱溫度達到15℃時，電加熱器組自動關閉，泵啟動。

增壓泵是液冷系統的循環動力源，冷卻液通過兩臺同型號的泵提供動力源。奇數日工作時，系統自動啟動泵I，泵II作為備用，當泵I故障時，即泵出口壓力降到845±10kPa時或泵單相電流低于10A、高于20A時，備用泵自啟動工作，當備用泵也出現故障時，系統停止工作，偶數日也同理。

冷卻液經泵升壓后輸送至供液管路，為防止倒流，每個供流管路均設有單向閥。增壓組件內的主管道上設有一個過濾器，以保證冷卻液的潔凈度，過濾精度為80μm。當過濾器的阻塞流阻達到70kPa時，與過濾器并聯的旁通活門自動打開，允許系統在過濾器堵塞時工作。經過濾的冷卻液通過自封接頭進入液冷系統管路，通過三通閥門進入散熱組件，將電子設備產生的熱量帶走。

2)散熱組件組成及工作原理

散熱組件由液-液熱交換器、三通閥門等組成。散熱設備完成熱交換后的冷卻液經過三通閥門進行散熱。散熱系統通過調節三通閥門開度實現給機載電子設備散熱。當冷卻液溫度高于供液溫度設定值時，閥門開度增大，較大流量的冷卻液流經液-液熱交換器，其余較小流量的冷卻液流回到增壓組件。液-液熱交換器為液冷控制系統提供冷源。液-液換熱器處設有自封接頭，以便液冷控制系統與飛機的自封接頭相連后構成一套循環系統。

控制系統可以根據吸熱后循環冷卻液的溫度自動調節需要散熱的流量。如果循環冷卻液的溫度遠高于供液溫度的設定值，較大流量的冷卻液通過液-液熱交換器進行散熱降溫，其余較小流量的冷卻液不做熱量交換直接回到增壓組件；若冷卻液溫度略高于供液溫度的設定值，則較小流量的冷卻液通過液-液熱交換器進行散熱降溫。

3)壓力平衡及加注組件

壓力平衡及加注組件由集液箱、液壓空氣濾清器和放液接頭等組成。

冷卻液回流到集液箱，集液箱上連接有液壓空氣濾清器，液壓空氣濾清器具有排氣、吸氣和加液功能。當集液箱內壓力大于25±5kPa(絕對壓力)時，液壓空氣濾清器排氣口蓋自動打開向外排氣，當壓力小于20±5kPa(絕對壓力)時，液壓空氣濾清器排氣口蓋自動關閉。當集液箱內負壓差大于10kPa時，液壓空氣濾清器吸氣口蓋自動打開，向集液箱內充氣，當集液箱內負壓差為零時，吸氣蓋關閉。

4 液冷系統的硬件設計方案

系統選用組建方便，數據采集效率高，成本低廉的PC-DAQ系統模式。硬件控制系統主要由電氣控制系統、控制系統以及數據采集系統構成。電氣控制系統包括電源、傳感器、三通閥門、泵、加熱器以及手動操作面板；數據采集系統主要包含數據采集卡；控制系統由信號調理電路、負載驅動電路、工控機構成。硬件系統組成圖7所示。

圖7 硬件系統組成

5 液冷系統的軟件設計方案

滑模人機交互界面和應用程序構成的軟件系統是虛擬儀器中最核心的部分。虛擬儀器軟件面板開發環境的選擇，可以根據開發者的習慣而決定，最終的目的是開發出用戶界面良好、功能強大的人機交互界面[8]。行業內流行的軟件開發語言主要包括兩類：文本編輯語言和圖形編輯語言。文本編輯語言更加符合用戶的語言習慣而且性價比較高。本課題采用了文本式開發環境LabWindows/CVI來編寫軟件面板以及實現基于PCI-1802LU數據采集卡的實時采集、分析處理、數據存儲以及數據發送等功能。軟件系統的組成如圖8所示。

圖8 軟件系統組成

6 實驗結果分析

系統硬件的設計、安裝，軟件的設計、測試完成后，就可以在現場對系統進行調試。通過多次調試試驗，可以發現系統設計、設備安裝、電氣連接上的某些缺陷。通過不斷地改進系統，使得液冷控制系統滿足設計要求。液冷控制系統應當首先搭建管路系統，完成電氣設備的安裝，系統的部分管路如圖9所示。

圖9 系統的部分管路圖

用戶登錄軟件成功后，進入到系統主界面，完成主線程循環和次線程循環。主界面實時顯示傳感器采集的數據、執行機構的工作狀態、動態顯示管道內冷卻液的流動以及實時顯示故障告警。主界面如圖10所示。

圖10 主界面圖

將液冷控制系統的自封接頭與飛機自封接頭對接，構成循環系統。啟動機載電子設備的情況下，驗證液冷控制系統是否能夠正常工作。

1)系統上電啟動。系統接入電源之前，確定380V/50Hz電源電壓、頻率、相序正常，隨后接通220V開關，再接通380V開關，啟動液冷控制系統。

2)三通閥門掉電狀態下處于0°位置，系統的工作方式選擇“手動”，然后分別手動接通“泵I”、“泵II”、“加熱器I”和“加熱器II”，冷卻液在閥門全關狀態下不經過液-液熱交換器循環。

3)設置供液溫度值為20℃，待系統工作一段時間后，關斷“泵I”、“加熱器I”、“加熱器II”。

4)將散熱系統的工作方式置為“自動”模式。

5)系統在自動工作模式下工作，因為此時冷卻液的溫度高于15℃，加熱器不工作，奇數日“泵I”，偶數日“泵II”工作，開始記錄數據。

自動方式下，地面試驗數據如表2所示。

表2 地面試驗數據

利用軟件將記錄的試驗數據繪制成圖形，如圖11所示，系統在8分鐘內將40.2℃的冷卻液降至系統所設定的供液溫度值(20±2℃)，并且在很長時間內能夠在該范圍內小幅度震蕩，與預期基本相符，能夠滿足溫度控制的要求。

圖11 液冷試驗數據

7 結束語

本文為解決我國某型號飛機大功率高熱流密度的電子設備的散熱問題，設計并研制了一套液冷控制系統。結合工程實踐對三通閥采用了基于模糊控制技術的閉環控制，提高了液冷控制系統的制冷效果。系統具有實時性好、集成度高、擴展性強、操作自動化程度高的優點。

1)完成了系統的總體設計。根據技術要求和以往的設計經驗，完成了包括管路系統、硬件系統以及軟件系統的設計，其中軟件系統是基于LabWindows/CVI平臺上開發，主要完成人機界面繪制和應用程序的編寫。

2)提出了三通閥的控制算法。根據理論分析結合工程實踐，采用了基于模糊控制技術三通閥的閉環控制算法，提高了三通閥的控制精度，并且改進了制冷效果。

3)系統調試與驗證。通過反復進行地面試驗，對存儲的數據進行對比分析，確保系統的穩定性和可靠性。