综合数字控制技术在飞机环境控制系统的应用

统 仿 真 学 报 V ol. 19 No. 15

2007年8月 Journal of System Simulation Aug., 2007

第19卷第15期 系

综合数字控制技术在飞机环境控制系统的应用

何 君, 赵竞全, 袁修干

(北京航空航天大学航空科学与工程学院, 北京 100083)

摘 要：提出了一套新的综合数字控制硬件和软件解决方案应用于飞机环境控制系统中，以某先进战斗机环境控制系统为例先后进行了计算机仿真设计和原理性验证试验。结果表明，采用模糊控制方法的综合数字控制系统改善了原PID 控制系统的性能，具有响应快、稳态精度高等特点，达到了飞机功能子系统的总体设计要求。

关键词：飞机；环境工程；数字控制系统；模糊控制；计算机仿真

中图分类号：V245.3+4 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2007) 15-3531-03

Integrated Digital Control of Aircraft Environmental Control System

HE Jun，ZHAO Jing-quan，YUAN Xiu-gan

(School of Aeronautics Science and Technology, Beihang University, Beijing 100083, China)

引 言Abstract ：A new project of aircraft environmental control system for integrated digital control with hardware and software was proposed. The feasibility was validated in principle by ground test of an advanced air fighter ECS after computer simulation design. The new integrated digital control system with fuzzy control and the old PID control methods were compared in ground test. Fuzzy control method has fast response and good steady precision for aircraft ECS real time control. It is demonstrated that the improved actual aircraft ECS can satisfy the design demands of aircraft function subsystem. Key words：aircraft; environmental engineering; digital control systems; fuzzy control; computer simulation

展的进一步研究工作。 军用飞机环境控制系统是一个时变、非线性、强耦合的

1 数字控制验证机简介

以应用综合数字控制技术的某先进战斗机环境控制系统（图1）为例，简要介绍验证机的工作原理。从发动机压气机引出的高温高压气体经引气管道分成两路。一路用于座舱温度调节，另一路用于惯导舱温度调节。用于座舱温度调节的发动机引气又分为两路，其中一路流经并联的环形散热器成为“座舱供气冷路”；另一路经电动阀门1后成为“座舱供气热路”。“座舱供气冷路”经环形散热器第一次降温后，再经过方形散热器，被发动机进气道的冲压冷空气第二次降温，这样高温高压的发动机引气经过连续两次温降后变为高压中温的气流。这股气流再经过负载为风扇的涡轮冷却器膨胀做功，温度再次降低，变为一股低温气流用来和高温气流混合调温。“座舱供气冷路”的出口气流分为两路，一路通过和“座舱供气热路”的高温气流混合并经供气开关流入飞机座舱；另一路通过限流装置实现流量比例分配后成为“惯导舱供气冷路”，与经过电动阀门2的“惯导舱供气热路”高温气流混合进入惯导舱。其中，座舱入口温度调节是通过座舱温度选择器和温度采集器1的信号控制电动执行器1的开度达到控制目的；惯导舱入口温度调节是通过惯导舱高 度信号器和温度采集器2的信号控制电动执行器2的开度达到控制目的；环境系统综合控制器在其中起运算控制逻辑，发送控制指令的作用。

典型多输入—多输出（MIMO ）复杂热力学系统。为了在不同飞行状态中满足任务的温度、湿度、压力以及流量要求，飞机在热力学附件基础上又安置了具有自动控制能力的电气回路，便于环境控制系统进行过程调节。

最初的飞机环境控制系统大多是单参数模拟式控制，且控制器简单，只能对系统进行粗略控制。系统的控制精度低、反应速度慢、抗干扰能力差。随着飞机性能的不断提高，环境控制系统的引气以及冲压空气的温度和压力将在大范围内变化，另外座舱人员的舒适性以及电子设备的可靠性等要求，对环境控制系统提出了更高的要求。飞机环境控制系统必须具有抗干扰、反应速度快、动态性能好、控制精度高等特点。为改善系统的控制特性，需采用先进的电子技术对环境控制系统进行多参数控制，使其在整个飞行包线内满足系统动态特性要求，为座舱和电子设备舱提供合适的工作环境。

作为高性能低代偿损失的军用飞机环境控制系统关键核心技术之一，综合数字控制技术必将成为当前乃至今后热力学与控制工程交叉学科的研究热点[1]。目前，国、内外在先进军用飞机关键子系统中开展了相关领域的研究工作，获得了令人满意的效果[2,3]。本文的研究工作是在原有的飞机环境控制系统热动力学仿真[4]、解耦控制[5]等工作基础上开

收稿日期：2006-06-16 修回日期：2007-04-15

基金项目：北京航空航天大学

" 凡舟" 科研基金项目(20060503) 作者简介：何君(1977-), 男, 重庆人, 讲师, 研究方向为飞机环境控制系统仿真、优化和控制。

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2007年8月 系 统 仿 真 学 报 Aug., 2007

集器2

行器2

图1 飞机环境控制系统数字控制验证机工作原理图

2 综合数字控制技术在系统中的实施

在飞机环境控制系统的应用中，综合数字控制技术包括两个方面[1]：在硬件上，由传统的模拟／数字混合式控制技术过渡为综合数字控制技术，即把环境控制系统各子系统，甚至与其它机电系统在功能和结构上综合起来，通过机上数据总线，组合到飞行管理系统中去，使系统可共享信息；在软件上，采用适合军用飞机环境控制系统的基于多输入多输出控制系统的人工智能技术，比如在控制决策、故障诊断与容错方法等方面引入专家系统、模糊推理、人工神经网络、遗传进化算法等先进的研究手段和方法。

在本文的验证实验中，将环境系统综合控制器、温度信号器、高度信号器、温度采集器1、2以及电动执行器1、2进行了数字化改进，使电气系统的信息处理采用数字通讯，并且全部连接共享于机载功能子系统数据总线上。其中，温度采集器是在原有的温度传感器基础上封装了带A/D转换和通讯功能的嵌入式微处理器；电动执行器是在原有的直流电机碟形阀门基础上封装了带PWM 与通讯功能的嵌入式微处理器。其优点在于：彻底的现场分散控制代替传统的集中控制，其功能模块化利于灵活选用和替换，飞机布局简洁利于日常停机维护和拆装；双向数字通信现场总线信号代替传统的模拟信号提高了信号的精度和可靠性，避免了模拟信号传输中信号衰减、精度下降和易受外部干扰等问题。

未来的飞机环境控制系统将向系统更强大、功能更完善的综合热能管理系统方向发展。这必将导致在硬件构成由模拟系统向数字系统升级的同时，在软件逻辑方面也需采用更为先进的方法与手段。数字化的环境控制系统没有硬件层次上的上下级划分，所有信息充分共享在同一数据总线上，但是各个电气部件在系统中的功能和使用要求不同，需要按其工作特性进行功能划分，使他们更好地有机运行起来。本文

提出了一种可以应用于未来飞机环境控制系统的分层管理控制思想，即在控制框架上分为系统管理层、控制优化层和直接测控层，如图2所示。

图2 飞机环境控制系统的分层控制思想

系统管理层中，机载功能系统管理计算机接受来自下层各子系统的实时数据、以及外层飞机系统的实时信息(如:飞行员操作信息、发动机工作状态信息等) ，进行综合热能管理与数据处理，输出最佳的各子系统下行控制指令和上行综合信息。

控制优化层中，各个数字信号微处理器接受来自相关直接测控层和系统管理层的实时数据与指令要求，进行各自闭环或开环控制回路的最优控制策略运算，输出末端控制指令。对其要求是专一复杂运算、实时准确完成。

直接测控层中，数据采集单元、电动执行单元直接与热力系统相连，接受末端控制指令，进行现场实时监测与末端控制，输出实时的温度、压力、流量等采集数据，以及电动

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2007年8月 何 君, 等：综合数字控制技术在飞机环境控制系统的应用 Aug., 2007

执行机构的位置、速度和故障信息。

3 仿真计算与实验分析

研究内容按照仿真设计分析、工程样机制作、地面原理验证的步骤进行工作。文中控制优化层采用了模糊控制策略，控制器的输入、输出变量取基本论域为[-10,10]，每个论域分为7个模糊子集（NB 、NM 、NS 、OK 、PS 、PM 、PB ）。每个模糊子集的隶属度函数由三角形函数或梯形函数表示。模糊推理采用Mamdani 最小运算法和Zadeh 最大最小法。模糊推理得到的模糊输出量最后还要经过解模糊判决产生一个精确控制量，这里解模糊采用重心法。

由于控制任务的不同，两个温度控制算法理应采用不同的模糊推理规则。根据MATLAB 平台上的仿真分析结果[6]，最终选定座舱温度控制规则如表1所示，惯导舱温度控制如表2所示。从中可以看出，在误差分别为NB 和PB 情况时，座舱温度跟踪控制采取了相对积极主动的控制方案以求到更快的响应时间。

表1 座舱温度模糊控制规则表

ec

NB NM NS OK PS PM PB

NB NB NB NB NM NM NS NS NM NB NB NM NS NS OK PS NS NB NM NS NS OK PS PM OK NM NS NS OK PS PS PM PS NM NS OK PS PS PM PB PM NS OK PS PS PM PM PB PB PS PS PM PM PB PB PB

表2 惯导舱温度模糊控制规则表

ec

NB NM NS OK PS PM PB

NB NB NB NM NM NS NS OK NM NB NM NM NS NS OK PS NS NM NM NS NS OK PS PS OK NM NS NS OK PS PS PM PS NS NS OK PS PS PM PM PM NS OK PS PS PM PM PB PB OK PS PS PM PM PB PB e e

图4 计算机数据采集系统

压力为0.78MPa ，入口温度为366℃，座舱和惯导舱压力为0.1MPa ，冲压空气流量为1270kg/h，温度为73℃；座舱温度响应要求从25℃变化到60℃，同时，惯导舱温度响应要求从10℃变化到30℃这个代表性变化过程。

图5、图6分别是座舱和惯导舱温度控制曲线的效果对比图。其中用于比较的三条曲线分别是PID 控制实验曲线、模糊控制实验曲线以及模糊控制仿真曲线。

温/℃温度度/℃

时间/s 时间/S

图5 座舱温度从25℃变化到60℃时的响应曲线

采用按此方法，结合具体不同的控制规则进行计算，最终得到供飞机环境控制系统的实时控制的查询表格。图3、图4分别是为地面测试搭建的飞机环境控制系统地面模拟

热动力实验台以及计算机数据采集系统。

实验中我们选取某一典型试飞状态进行测试：系统入口

温度℃ 温度//℃

时间/s 时间/S

图6 惯导舱温度从10℃变化到30℃时的响应曲线

从图中可以看出，就模糊控制和PID 控制两种方法而言，该试验中在响应时间、系统超调和振荡等方面，模糊控制实验曲线都要优于PID 控制实验曲线。造成模糊控制实验曲线和仿真曲线差别的主要原因是仿真模型中只考虑了执行机构的简单输入/输出特性、传感器的时间常数也取为常值，而实际控制过程中还存在一定的不确定性和建模不完全性。实验中发现，系统表现出的热惯性要大于仿真阶段的假

图3 飞机环境控制系统地面模拟热动力实验台

设，而且该值随工作环境变化，不易估准。这就要求我们在设计时多加留意，采用的算法应有较好的鲁棒性。

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(下转第3571页)

2007年8月 肖 平, 等：奥运场馆用混合动力电动汽车建模与仿真研究 Aug., 2007

400发动机转速/r m p 300200

大，因此本文所设计的汽车完全符合奥运会期间长时间和低排放的工作要求。

4 结论

在奥运场馆用车的特殊要求以及串联式混合动力电

100

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

时间/s ×104

图6 发动机转速

动汽车系统各零部件原理的基础上，研究制定了切实可行的控制策略，基于图形化建模仿真工具MATLAB/ Simulink 建立了某型适合于奥运场馆用车的系统仿真模型；并在纯电动和混合动力模式下对模型进行了仿真，结果表明，模型中所制定的控制策略切实可行，所确定的参数合理，按照该模型设计的电动汽车能够满足奥运场馆用车的要求，这不但为开发奥运场馆用车提供了理论依据，而且为缩短开发奥运场馆用车的周期提供了技术支持。

的变化曲线（细实线和粗实线分别为电池组的起始SOC 值为0.8和0.6进行仿真而得到的SOC 变化曲线）；图5为15工况多循环累加在一起的汽车行驶里程数，虚线为混合动力行驶模式下、实线为纯电动行驶模式下的行驶里程（细实线和粗实线分别为电池组的起始SOC 值为0.8和0.6进行仿真而得到的行驶里程数）；由图4和图5可知，在纯电动行驶工况下，电池组的SOC 分别从开始的0.8和0.6一直变化到0.2，在此变化过程中汽车分别行驶了64公里和42.13公里；由于北京奥组委规定，在奥运会期间，所有在奥运村内行驶的汽车必须是零排放汽车，而本文所设计汽车在纯电动模式下最长可行驶64公里，而当电池组的起始SOC 在0.6时可行驶42.13公里，因此完全符合奥组委的标准（奥运村内行驶距离一般不超过40公里）。只要驾驶员在从奥运场馆开出时，在控制器语音提示下启动奥运村运行模式，这样就可以保证当OP －SHEV 达到奥运村时电池组的SOC 在0.6以上，从而保证OP －SHEV 能够以纯电动方式驶完奥运村中所有路程；当混合动力行驶时电池的SOC 达到0.4时发动机就自动启动给电池组充电，并且发动机始终在3750转/分钟（由图6可知）下工作，即在其经济区域运行，当电池的SOC 达到0.8时发动机关闭，停止充电。因此电池始终工作在高效区域，避免了电池的深度充放电。只要油箱的容积足够，汽车的续驶里程数可以达到无穷

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(上接第3533页)

4 结论

本文提出了综合数字控制技术在飞机环境控制系统中应用的一套硬件和软件解决方案，以某先进战斗机环境控制系统为例先后进行了计算机仿真设计和原理性验证试验。地面试验表明，采用模糊控制方案的综合数字控制系统改善了原PID 控制系统的性能，具有响应快、稳态精度高等特点，达到了飞机功能子系统的总体设计要求，对未来飞机环境控制系统的发展起到良好的推动作用。

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