飛機地面空調機組風壓、風量的調整

孫 磊 李國瑞

（江蘇塞孚航空科技有限公司，鎮(zhèn)江 212009）

1 功能需求

飛機地面空調機組是指為停靠在地面的飛機提供經過過濾、加壓、除濕以及降濕（或加熱）的新鮮空氣的空調設備，一般安裝于登機橋下部或其附近。飛機落地停靠后，將機組的出風口通過送風軟管接入飛機接口處，從而將經過冷卻或加熱后的全新風送入飛機內部。通常每一座廊橋或停機位僅安裝一臺或兩臺飛機地面空調機組，但在不同時段廊橋所停靠飛機類型不同時，如D類機位停靠C類機型，會導致空調機組類型與飛機類型不匹配的情況。即使是同類機型，其所需飛機地面空調機組提供保障的要求也不完全相同。以常用的飛機型號為例，A320型號機組所需地面空調機組支持的最大壓強為3 500 Pa、風量為90 kg·min-1，而737-800型號機組所需地面空調支持的最大壓強為135 000 Pa、風量為68 kg·min-1。可見，不同機型對飛機地面空調機組的要求不同，且A320型號飛機對飛機地面空調的出口壓強有較細致的要求。現行國內飛機地面空調機組標準C類機組所能提供的機外靜壓可達到6 700 Pa[1]，遠超A320機型的3 500 Pa的極限值。綜上所述，飛機地面空調機組在對接不同飛機時輸出的風量、風壓應該是可自適應或可由用戶設置的，且是可動態(tài)調節(jié)的。

2 現狀分析

現有多數飛機地面空調均采用高壓離心風機作為送風驅動設備，主要采用直接起動（較大功率采用星三角方式）或變頻器兩種控制方式來控制。兩種控制方式優(yōu)缺點及風量、風壓控制具體分析如下。

2.1 直接起動類型機組

當離心風機采用直接起動或星三角控制時，一般不存在風壓、風量調節(jié)功能。如圖1所示，曲線1為管道阻力曲線，在機組出口接入飛機后已經確定。曲線2為風機特性曲線，在固定轉速下是固定的。兩者之間交點A即該機組的工況點。在無外界干擾的情況下，機組會在該工況點穩(wěn)定運行，其中工況點位置固定。它對應的出風口風量、風壓為固定值，不可根據要求調節(jié)。此類啟動方式存在電力沖擊，對供電設備存在一定的損害。另外，由于飛機地面空調機組與飛機連接的特殊性（通過軟管臨時連接），此類起動方式在起動階段存在較大的風壓沖擊，可能會導致軟管跳動。嚴重時，管道連接接頭脫落，碰觸飛機，會造成無法挽回的損失，給安全性要求很高的飛機帶來隱患。因此，此類起動方式正隨著產品性能的改善及用戶需求的提高逐步被其他方式替代。

2.2 變頻器控制類型機組

現有機組中標注風量、風壓可調的機組通常采用增加變頻器的方式實現。變頻器可以改變輸出頻率，從而調整風機轉速。如圖2所示，通過調整風機轉速來改變風機特性曲線。在圖1曲線的基礎上調整變頻器頻率，將風機曲線從2移動到2’的位置，機組的工況點由原來的A點移動到A’點，從而達到調整風壓、風量的目的。此方法雖然完成了風量、風壓調整，但其局限于機組的工況點只能在管道的特性曲線上移動，達不到風量和風壓可單獨調整的要求，無法完全滿足多類型飛機的適用性要求。

圖1 直接啟動（或星三角控制）特性曲線

圖2 變頻器控制特性曲線

2.3 優(yōu)化方案

如果需要同一臺機組可滿足不同類型飛機的風量、風壓要求，必須能夠實現風壓、風量可獨立調整，而以上兩種方法均不能實現。對比分析可知，如需兩者均可調整，需要在改變風機曲線的同時改變管道特性曲線。在機組設計過程中增加出口閥門，必要時通過調整閥門開度改變機組的管道特性曲線。如圖3所示，曲線1’為改變管道特性后的曲線，機組工況點能夠在A、A’、B’、B區(qū)域內進行調整，從而實現風量與風壓的單獨調整，提高飛機地面空調機組的適用性。同時，該控制方法避免了起動過程中對電網及送風管道的沖擊，使機組更加安全。

3 控制系統設計

通過改變風機運行轉速實現風機特性曲線的改變，通過改變機組出口閥門實現管路特性曲線的改變。因此，機組風量、風壓調節(jié)功能所需控制設備配置如圖4所示。變頻器驅動離心風機，通過改變輸出頻率改變風機運行轉速。閥門執(zhí)行器與閥門同軸連接，通過執(zhí)行器的轉動改變閥門開度。風量、風壓采集器通過安裝在機組出口管道的傳感器采集數據，并經計算將風量、風壓數據存儲、傳輸。控制器通過Profinet總線讀取風壓、風量數據，經過計算后將需要輸出的控制數據通過Profinet總線傳輸給變頻器，通過Modbus總線傳送給閥門執(zhí)行器。總線控制的方式減少了接線的煩瑣，提高了調整精度，減少了外部干擾[2]。對控制精度要求較高的系統，優(yōu)先推薦總線方式連接。

圖3 優(yōu)化后的特性曲線

圖4 機組風量、風壓調節(jié)功能設備配置

4 風壓、風量控制原理

飛機地面空調機組使用過程中是靠現場操作人員通過軟管接入飛機，因此不同機型、不同人員都會形成不同軟管敷設線路，導致管道特性均不相同。在管道特性不變的情況下，改變風機轉速既改變了風量也改變了風壓。在風機特性曲線不變的情況下，改變閥門開度同樣也改變了風量和風壓。可見，該系統存在2個被控量和2個控制量，且被控量之間存在相互耦合的關系。如需獲得所需的風量、風壓，利用簡單的比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制無法實現。此類多工況系統在PID控制的基礎上引入神經網絡控制系統，對風量、風壓進行解耦，然后采用基于反向傳播（Back Propagation，BP）神經網絡的PID控制方法對解耦后的2個近似獨立的單輸入單輸出系統進行控制[3]。神經網絡具有非線性、高度的容錯性、并行處理等特性，為多變量時變非線性系統的控制提出了新方法[4]。如圖5所示，通過機組人機交互界面采集得到對接飛機所需的風量、風壓參數作為控制給定值。神經元解耦控制器在每對輸入輸出通道上設置一個神經元，每個神經元有2個輸入，用以接收PID控制器輸出信號。每個神經元的輸出作為控制型號送至控制系統，通過神經元權值的修正達到解耦目的。這種結構屬于神經網絡位于控制器后的串聯解耦方案[5]。

圖5 風壓、風量控制系統

5 控制過程PLC的程序實現

機組采用西門子1200系列可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為控制器。該控制器緊湊的結構、良好的擴展性及強大的指令功能為神經網絡控制提供了完善的平臺。部分編寫程序流程如圖6所示。程序可在每次循環(huán)過程中修正神經網絡權值，從而修改控制參數，使輸出達到最優(yōu)狀態(tài)。

圖6 PLC編寫程序流程

6 飛機型號采集

機組提供用戶交互界面，在使用前輸入實際飛機型號和飛機類型（C、D、E類等）。控制器根據存儲數據匹配最優(yōu)風量、風壓值，并將其作為控制目標。在配備飛機目視引導系統的機場，機組提供了通信接口，可將數據直接讀取到控制器，避免人為操作出現錯誤。

7 結語

本文設計了一種可以動態(tài)調整飛機地面空調機組出口風量、風壓的控制方法，解決了同一機組接入不同飛機的適用性問題。將神經網絡控制算法應用于PLC邏輯控制，在實際使用過程中得到了較好的輸出參數，對后期推廣實施有著積極影響。