基于STM32的模擬機場自動防除冰系統(tǒng)設計

中圖分類號：TP271 文獻標志碼：A

0引言

冬季機場跑道上積雪結(jié)冰會降低跑道的使用時間，而且會導致飛機滑行打滑，導致安全事故，長期低溫容易對跑道造成結(jié)構(gòu)損傷[1]。目前我國在機場跑道上的除冰雪方法主要用化學類或機械類除冰[2]化學類除冰采用的融冰鹽易對機場道路造成腐蝕，增加了跑道維護成本；機械除冰技術(shù)原理和流程較為成熟，但機械除冰效果不佳，效率低下，嚴重影響機場調(diào)度。熱力除冰的技術(shù)是一種主動的除冰方法，主要用外部產(chǎn)生的熱量使路面加熱，已逐漸開始運用于道路除冰雪工作并取得了較好的效果。高志斌等[3]以及萬仕林等4利用碳纖維發(fā)熱線實現(xiàn)了機場道面化冰的功能，能夠有效進行路面除冰雪工作，但是均未能實現(xiàn)加熱系統(tǒng)自動控制。本文設計了一種基于STM32的模擬機場跑道自動防除冰系統(tǒng)，能夠根據(jù)環(huán)境情況實現(xiàn)自動防除冰工作。

1 系統(tǒng)總體設計

模擬機場跑道自動防除冰系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由上位機和下位機組成，兩者之間通過2.4GHz 無線相連。下位機通過主控制器采集溫度與冰雪傳感器信息，將信號預處理后利用無線傳輸模式發(fā)送到上位機。上位機在接收到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行顯示和存儲，并且能夠通過上位機對下位機進行控制。多個下位機之間也能夠通過 2.4GHz 網(wǎng)絡相互連接，可多區(qū)域布置，實現(xiàn)分區(qū)域精準控制。

圖1模擬機場跑道自動防除冰系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要分為自動和手動兩種模式，在自動模式下，下位機會根據(jù)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)自動判斷是否需要啟動/關(guān)閉加熱；在手動模式下，下位機正常收集數(shù)據(jù)并上報，但不自動開啟加熱，需要等待上位機指令手動開啟加熱或者關(guān)閉加熱，上位機可以通過程序監(jiān)控下位機運行情況，同時可以單獨設定加熱功率大小。

2系統(tǒng)硬件電路設計

系統(tǒng)硬件電路主要包括主控制器、冰雪傳感器模塊、溫度模塊、無線傳輸模塊、控制模塊、加熱模塊和電源模塊。硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主控制器主要用于數(shù)據(jù)采集和處理、上傳和自動判斷，采用STM32F103C8T6處理器，芯片運行頻率72MHz ，閃存和內(nèi)存分別為 20KB 和64KB，具備豐富的外設，能夠滿足復雜算法的需求、

冰雪傳感器模塊用于檢測是否存在降雪現(xiàn)象，采用PR-YUX-N01-H冰雪傳感器，使用交流阻抗測量形式，并且具備自動加熱功能，結(jié)果精準。

溫度模塊主要用于探測環(huán)境溫度和模擬跑道內(nèi)部溫度，采用DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器，能夠在一條總線上掛載多個傳感器，測溫范圍 -55°C～+ 125‰ ，通過多點布置，能夠滿足區(qū)域溫度探測需要。

無線傳輸模塊主要用于多個控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和上/下位機遠程控制，采用nRF24L01單片無線收發(fā)器芯片，工作頻段 2.4～2.5GHz ，最遠通信距離可達 2km 。

控制模塊主要用于控制加熱模塊進行加熱，采用G3MB-202P小型固態(tài)繼電器，控制電壓為5VDC，額定電壓 240VAC ，額定電流2A，相比傳統(tǒng)電磁式繼電器，內(nèi)部無觸點，開關(guān)過程不存在火花等風險。

加熱模塊主要用于實現(xiàn)模擬機場跑道加熱，采用防水硅膠電熱線，加熱功率50W，通過一定排布規(guī)律預埋進模擬跑道中。

電源模塊主要提供各模塊運行所需電源，本模擬系統(tǒng)采用外置數(shù)控電源提供主電源和加熱模塊所需電源，通過降壓芯片為主控制器和其他模塊提供低壓電源。

圖2模擬機場跑道自動防除冰系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1軟件算法設計

模擬機場跑道自動防除冰系統(tǒng)工作流程主要分為2種方式：自動模式和手動模式，程序流程如圖3所示。當系統(tǒng)上電后，主控制器先進行初始化，之后通過定時器中斷方式定時收集環(huán)境數(shù)據(jù)。若傳感器數(shù)據(jù)發(fā)生變化，則通過無線模塊將變化數(shù)據(jù)上傳至上位機。

在自動模式下，微處理器收集數(shù)據(jù)后，會自動結(jié)合冰雪傳感器和環(huán)境溫度分析當前環(huán)境信息，判斷當前是否需要進行加熱，當出現(xiàn)冰雪天氣或者可能存在結(jié)冰風險時候，啟動加熱通過模糊自適應PID實時調(diào)節(jié)加熱功率并保持恒溫狀態(tài)。在手動模式下，微處理器不響應自動控制信號，而是通過上位機發(fā)來的控制信號，對是否加熱進行操作。

圖3模擬機場跑道自動防除冰系統(tǒng)軟件流程

3.2模糊自適應PID模型構(gòu)建與仿真

由于外部溫度變化和加熱溫度變化具有非線性和時變性的特征，無法對其建立準確的模型，單純使用傳統(tǒng)PID控制并不能得到理想的控制效果，本文將傳統(tǒng)PID控制的基礎上與模糊控制相結(jié)合的模糊自適應PID算法[5]，利用模糊邏輯規(guī)則對PID控制的比例、微分以及積分系數(shù)進行實時的優(yōu)化，實現(xiàn)對系統(tǒng)加熱功率進行實時控制，使加熱溫度趨于穩(wěn)定值。模糊自適應PID算法其控制原理如圖4所示。

圖4模糊自適應PID控制原理

模糊自適應PID控制，是在PID控制算法基礎上以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，通過模糊控制規(guī)則推理得到控制參數(shù)的修正量 ΔKp，ΔKi，ΔKd ，實現(xiàn)PID控制參數(shù) Kp，Ki，Kd 的自校正。主要依據(jù)為，增加比例系數(shù)能夠減小靜態(tài)誤差，但會增加超調(diào)。增加積分系數(shù)能夠消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但滯后性較嚴重；微分控制能根據(jù)誤差的變化趨勢進行控制，但容易引起系統(tǒng)振蕩。基于以上依據(jù)，結(jié)合實際工作過程，制定對Kp、Ki、Kd3個參數(shù)分別校正的模糊控制表，查出修正參數(shù)然后計算系數(shù)進行控制。

為了驗證模糊自適應PID控制算法的穩(wěn)定性和性能，本文利用使用MATLAB工具軟件進行仿真分析[，搭建模糊自適應PID控制Simulink模型和仿真結(jié)果如圖5所示。其中溫度單位為攝氏度（ °C ），時間單位為分鐘（ min） ，由圖可知加熱溫度從 左右開始加熱， 15min 左右加熱至頂峰約 16°C ，在 20min 之后達到穩(wěn)定溫度，仿真結(jié)果表明該控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)加熱的穩(wěn)定。

圖5模糊自適應PID控制Simulink模型和仿真結(jié)果

4系統(tǒng)測試

模擬機場跑道自動防除冰系統(tǒng)需要滿足的基本功能有：數(shù)據(jù)采集、自動控制加熱除冰以及信息顯示。為了更好模擬系統(tǒng)工作情況，采用縮小比例的方式利用水泥澆筑模擬機場跑道路面，預埋加熱線與溫度傳感器。模擬機場跑道溫度傳感器與電熱線布置如圖6所示。系統(tǒng)上位機界面如圖7所示。

圖6溫度傳感器與電熱線布置

圖7模擬機場跑道自動防除冰系統(tǒng)上位機

為了驗證該裝置功能，制作了相同大小但不預理加熱線的模擬機場跑道作為對照，分別在相同的環(huán)境溫度和地點，在表面均勻放置 1kg 冰進行試驗，由于外界實際溫度高于結(jié)冰溫度，此處采用手動模式開啟加熱方式進行對照試驗，記錄冰全化為水的最終時間，得到試驗結(jié)果如表1所示。

試驗結(jié)果表明，使用模擬機場跑道自動防除冰系統(tǒng)相比不使用該系統(tǒng)的模擬路面的冰塊全部融化時間平均加快 50% 以上。

表1系統(tǒng)性能對比試驗結(jié)果

5結(jié)語

本文以STM32微控制器為核心，融合電子、傳感器、測控技術(shù)，設計出模擬機場跑道自動防除冰系統(tǒng)。系統(tǒng)依環(huán)境溫度及冰雪傳感器數(shù)據(jù)判別是否防除冰，且支持上位機實時監(jiān)控與手動/自動模式切換。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動和手動控制，并且相比不使用該系統(tǒng)路面冰塊融化效率提高了 50% 以上，能夠滿足機場跑道路面防除冰和防止結(jié)冰的需求。

參考文獻

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[2]彭建國，喬蘭，李慶文，張慶龍.機場跑道循環(huán)熱流體法融雪除冰數(shù)值模擬[J].科學技術(shù)與工程，2022（8） ：3277-3284.

[3]高志斌，張長安，孫士博.某機場瀝青混凝土路面融雪化冰技術(shù)研究[J].低溫建筑技術(shù)，2017（11）：28-32，37.

[4]萬仕林，陳智，肖衡林.機場道面碳纖維發(fā)熱線化冰試驗研究[J].路基工程，2021（1）：51-56.

[5]馬曉陽，孫鳳池，王雅夢，李興成，苑晶.基于模糊自適應PID的多葉光柵雙閉環(huán)控制[J].控制工程，2021（2）：313-318.

[6]韓冰，李繼嵐，周昊.基于PID控制的Boost型開關(guān)電源MATLAB仿真研究[J].工業(yè)控制計算機，2021（10） ：151-152.

（編輯戴啟潤）

Design of automatic anti-icing control system for simulated airport runways basedon STM32

WANG Li （Sichuan Aerospace Vocational College，Guanghan 6183Oo，China）

Abstract：Automaticanti-icing control system for simulated airport runways basedon STM32 is designed in this paper so asto solvethe problems of traditional airport runwayanti-icing methods，suchaslong time，low eficiencyand need to be repeated.Thesystem detects the current environmental conditions by sensors，and controls the heating wire automaticall to achieve thermal anti-icing by using fuzzy adaptive PID.The system uses an upper computer and lower computer，the lower computerisdeployed indiferentregions to finish datacollectionand heatingcontrol;theupper computer shows the status and data in real-timeand supports switching between manual and automatic modes.The experiment results show that the automatic/manual thermal anti-icing functions worked properly，and canbe monitored and controlled by upper computer. The ice melting efficiency increased by over 50% by using the automatic thermal anti-icing simulated control system compared to not using the system.

Key words： STM32; airport runways; anti-icing; fuzzy adaptive PID

作者簡介：王笠（1996—），男，助教，碩士；研究方向：航空電氣電子系統(tǒng)維修。