飞机温度控制系统控制器设计与分析

科学技术创新2020.23
正态性检验。

该方法国际标准及国家标准都推荐使用。

经检验，只有上部轴承和联轴节的数据不符合正态分布假设。

4.6钠泵评分可信性的评估评分可信性用样本中有无“异常值”来衡量。

如有“异常值”，则需按一定规则进行剔除。

剔除“异常值”后，样本就增加了可信性。

“异常值”是样本中的个别值明显地偏离它所属样本的其它数值。

这里采用格拉布斯法（Grubbs ）来确定样本中的“异常值”。

经过计算，水力部件、下部流体静压轴承、
上部轴承和联轴节中评分系数的最大值需要剔除，其余评分系数不用剔除。

剔除异常值后，再进行正态性检验，此时只有联轴节的评分系数不符合正态性假设，原因可能是专家评分的人数较少所致。

剔除异常值后，重新计算各部件的评分系数均值，并对评分系数均值进行归一化处理，结果如下：水力部件：16.16%；下部流体静压轴承：30.79%；主轴：19.24%；机械密封：21.27%；上部轴承：5.95%；电机：5.49%；联轴节：1.10%。

4.7钠泵可靠性分配结果
由钠泵各部件的评分系数均值，
并根据钠泵总的失效率指标，结合式（1）可计算得到各部件的失效率。

计算如下（单位：10-5/年）：水力部件：0.55；下部流体静压轴承：1.05；主轴：0.65；机械密封：0.72；上部轴承：0.20；电机：0.19；联轴节：0.04。

从可靠性分配结果看，下部流体静压轴承失效率最高，联轴节失效率最
低，这也是基本符合可靠性分配原则的，
下部流体静压轴承作为转子的下部支撑，处于高温的液态钠中，
工作环境苛刻，对设计要求极高，加工工艺特别是其大面积硬质合金堆焊技术难度极高，
需要进行专题研究解决。

联轴器相对是比较成熟的，
可在现有成熟技术的基础上开展局部研发解决。

水力部件、
主轴和机械密封的分配结果也基本符合预期。

电机和上部轴承分配的失效率较低，
原因是这两个部件虽然技术难度也不低，但相比于下部流体静压轴承，这两个部件是可更换件，只要设计合理并在运行时进行定期更换，
其失效率并不会很高。

5结论
本文在所建立的钠泵可靠性模型的基础上，利用评分分配法将钠泵的可靠性指标进行了分配，并对评分的结果进行了正态性
检验和可信性评估，可靠性分配结果基本符合预期。

通过可靠性分配。

需要说明的是，钠泵可靠性分配作为钠泵可靠性设计的重要工作，是一个渐近、反复的过程。

在初始设计阶段进行可靠性指标分
配时，由于许多情况还不够明朗，
可供使用的信息有限，很难做到一次分配到位。

为使分配的结果准确、合理，在钠泵设计的各个阶段均要反复多次进行可靠性分配。

参考文献
[1]徐.快堆主热传输系统及辅助系统[M].北京：中国原子能出版社,2011.
[2]穆丽红,张增强,马俊杰.我国核电站核泵现状及国产化前景[J].水泵技术,2009,3.
[3]浦恩山.快堆钠泵机械密封可靠性分析与试验研究[D].北京:中国原子能科学研究院,2013.
[4]曾声奎.可靠性设计与分析[M].北京:国防工业出版社,2011.[5]赵宇.可靠性数据分析[M].北京:国防工业出版社,2011.
作者简介:浦恩山(1986,7-),男,籍贯:云南文山，
民族:汉,最高学历:硕士，目前职称:工程师，研究方向:设备可靠性设计、
分析与评估。

谷继品，男，汉族，本科，高级工程师，研究方向：核岛设备设计。

飞机温度控制系统控制器设计与分析
杨春强李相斌战京景
（天津航空机电有限公司，
天津300308）1概述
由于飞机复杂电子设备环境、
内部成员的变化、大气环境气候的改变等因素均会引起飞机热载荷发生变化[1-2]。

根据文献[3]，人体生理状况与所处环境密切相关，舱内温度过高将引起机上人员产生热晕厥、热中风、热虚脱等症状；舱内温度过低又将引起机
上人员产生意识障碍症状，因此，
确保机上人员飞行安全以及舒适的热环境使得飞机温度控制系统有着极其重要的意义。

相比于军用飞机、大型民用客机，通用飞机的温度控制系统复杂度较简
单，在满足可靠性和安全性的前提下，
充分重视成本控制，结合温度控制系统架构设计，控制器采用成熟度高、
可靠性好的模拟电路搭建温度控制器，在满足系统功能和性能要求下，
省去产品软件开发开销，减少后续产品适航取证的工作量。

2飞机温度控制系统原理
飞机温度控制系统在整个飞行剖面内为机上驾乘人员提供安全、舒适的环境。

飞机温度控制系统的基本工作原理为，
分两路从左侧发动机、右侧发动机引入高温、
高压空气，其中一路经供气管道、驾驶舱活门、引射器等附件后进入驾驶舱；
另一路经供气管道、客舱活门、引射器等附件后进入客舱；控制器作为温度控制系统的控制中枢，根据驾驶舱内温度（或客舱内温度）和
控制板驾驶舱设定温度（或客舱设定温度）
的差值大小，经逻辑计算输出PWM 脉宽调制信号驱动活门的开启和关闭，实现驾驶舱内温度和客舱内温度的动态控制。

3控制器硬件架构设计3.1控制器硬件电路方案
根据温度控制系统控制需求，采用传统模拟电路设计控制器的硬件电路。

考虑驾驶舱温度和客舱温度外部接口和控制要求相同，因此，控制器可设计两组完全相同的硬件电路，其中一组用于驾驶舱温度控制，另一组用于客舱温度控制，摘要:结合通用飞机的温度控制系统的复杂度，采用传统模拟电路设计温度控制器硬件电路及接口防护电路。

经仿真分析，控制器满足系统控制律要求，温度控制非敏感区设置合理，有效减少温度活门的频繁动作和超调量，
并较好的延长温度活门的使用寿命。

关键词：温度控制系统；控制律；非敏感区；超调量中图分类号:V245.3文献标识码:A 文章编号:2096-4390(2020)23-0008-02（转下页）銤 5
S 3.410/ 年8--
2020.23科学技术创新
本文仅以驾驶舱控制硬件电路为例，进行硬件电路设计方案的分析，控制器驾驶舱控制硬件电路方案如图1（a）所示。

3.2关键电路设计
3.2.1电阻信号采集电路
电阻信号采集电路由直流电桥和二级差分放大电路组成，电阻信号采集电路采用单电桥法采集两线制温度传感器PT1000热敏电阻信号和温度设定阻值信号[4]。

电阻信号采集电路如图1（b）所示，R2为温度传感器PT1000热敏电阻；R3为温度设定阻值，不同温度档位对应不同温度设定阻值R3，且对应R3的阻值恒定；R5、R6阻值相同；温度设定阻值R3根据电桥平衡原理计算得出，当电桥达到平衡时，驾驶舱内温度达到温度设定值要求，控制器处于平衡态，活门开度保持不动，此时，电阻信号采集电路输出电压U2为基准值。

（R1+R2）R6=(R3+R4)R5(1) R3=R1+R2-R4(2)
I N=15/(R1+R2+R3+R4)＜0.5mA(3)
式（1）中，R5与R6阻值相同，当电桥达到平衡时推导出式（2），桥路通过电流I N应满足式（3）要求。

3.2.2功率驱动电路
为提高活门的使用寿命，减小系统控制超调量，提高动态稳定性，控制器输出控制信号为周期相同、占空比不同的PWM脉冲信号。

图1（c）为控制器功率驱动电路，采用V3和V4复合管方式进一步增强电路动态特性，提高功率回路驱动能力和开关速度。

功率驱动电路工作原理为：信号V6驱动三极管V1、V3、V4输出PWM脉冲信号，信号U3驱动方向控制电路实现活门打开和关闭两个方向驱动信号的选择输出。

（a）电路原理框图
（b）电阻信号采集电路
（c）功率驱动电路
图1控制器硬件电路原理框图
4电路仿真分析
为验证控制器硬件电路是否满足控制器控制功能要求，采用Multisim软件对硬件电路进行电路仿真，考虑到驾驶舱各个温度点理论控制过程相同，选取驾驶舱典型控温点25℃为例进行仿真，具体为：将驾驶舱温度T1设定为25℃（对应阻值为77.8Ω）不变，驾驶舱温度传感器感受温度T2以25℃（对应PT1000阻值为1097Ω）为起点动态向上和向下进行调节，观察电路仿真输出结果。

仿真过程注入参数包括三种状态，分别为平衡状态、制热状态和制冷状态三种状态，其中，平衡状态为：当前驾驶舱温度值在设定温度允许范围内，驾驶舱温度无需进行调节；制热状态为：当前驾驶舱温度值低于设定温度允许范围，驾驶舱温度需往高调节；制冷状态为：当前驾驶舱温度值高于设定温度允许范围，驾驶舱温度需往低调节。

模拟实际飞机温度控制系统驾驶舱温度变化过程（平衡状态→制热状态→平衡状态→制冷状态→平衡状态），图2为电路仿真关键节点电压输出波形，控制器输出脉宽调制信号的周期为1.5s，锯齿波电路输出信号U5与绝对值电路输出信号U4进行比较，输出PWM脉宽调制信号U6,极性比较器输出信号U3控制方向控制电路输出打开或关闭活门方向信号，其中打开活门为制热，关闭活门为制冷。

经过仿真分析，控制器理论温度控制非敏感区在±2℃范围内，非敏感区设置可减少活门的频繁动作和超调，由于系统温度存在热惯性，根据经验推断，系统非敏感区在±5℃范围内。

图2控制器关键电路仿真
5结论
综合考虑100%国产化设计、可靠性、用户成本，采用传统模拟电路完成飞机温度控制系统控制器设计，通过硬件电路仿真分析，模拟控制器平衡状态、制热状态和制冷状态过程，验证控制器满足温度控制系统控制要求，并确定硬件电路理论控制非敏感区，控制非敏感区的设置减小了活门的频繁动作和温度超调，提高活门使用寿命。

参考文献
[1]任明波,王娟,李荣军等.大型飞机座舱温度控制系统控制律设计[J].航空学报,2017,38(S1):721501.
[2]朱春玲.飞行器环境控制与安全救生[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.
[3]任生雄.航空高效过滤器性能研究和机舱净化效果分析[D].天津:天津大学,2013.
[4]王魁汉等.温度测量实用技术[M].北京：机械工业出版社,2006.
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