基于Matlab的飞机环境控制系统动态仿真

第 14 卷第 6 期
杨
锋, 等：基于 Matlab 的飞机环境控制系统动态仿真
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dT w = (wc p )h (T − T )1− e − a h dτ m w cw h i w (wc p )c (T − T )1− e − a c + m w c w ci w
(
(
)
)
(1)
Tto =1−ηt 1− 01 . 286 Tin π t
基于 Matlab 的飞机环境控制系统动态仿真
杨 锋, 袁修干
（北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系, 北京 100083）
摘
要 : 在分析了各个部件工作原理的基础上，建立了飞机环境控制系统各主要部件的数学模型，
利用 Matlab 软件开发了各部件的仿真模块。用所建模块搭建了某型飞机环控系统的仿真模型，并 进行了仿真研究，结果表明本文的仿真模块具有较高的精度。为飞机环控系统的动态仿真提供了 新的实现途径，对飞机环境控制系统的设计和优化具有一定的参考意义。 关键词 : 飞机; 环境控制系统; 仿真; Matlab 中图分类号 : TP391.9 文献标识码： A
利用 Matlab 中 Simulink 下的传递函数 Transfer Fcn 模 块可直接建立传感器的仿真模块。 对于飞机环控系统中的流 量、压力传感器等，仿真模块的建立与上相似。
2.6 控制器及执行机构 [5]
控制器的作用是对传感器输入信号和给定温度值的信 号进行比较，并按照一定的规律进行运算，得出输出信号， 并对输出信号进行放大， 以便有足够大的信号推动执行机构 完成控制动作。控制器的运算规律有 PID 控制等，根据各种 控制规律的特点，利用 Simulink 中的模块搭建控制器。执 行机构接受控制器的控制信号，使活门体位置作相应的变 化，进而改变通过活门的空气流量，由于执行机构的惯性很 小，在系统仿真中，可以作为比例放大环节处理。仿真时可 以直接使用 Simulink 下已有的比例放大模块 Gain 模块。 除了以上讨论的各种附件，还有一些诸如绝对压力调 节器、活门及座舱等附件，都可根据各自的数学模型得出用 S 函数编写的仿真模块。
1 环控系统简介
空气循环制冷系统是目前飞机上使用最为广泛的系 统。应用在军用飞机上的主要有简单式（涡轮 — 风扇式）和 升压式（涡轮 — 压气机）两种，其中升压式又可以分为低压
收稿日期 : 2001-07-22 修回日期： 2002-02-28 作 者 简 介 : 杨 锋 (1976-), 男 , 陕西省澄城县 , 博士, 研究方向为飞行 器环境控制系统（ECS）仿真以及航天员舱外活动（EVA）仿真。
θ=
图 2 换热器单元模块参数输入界面
∆t ； t0
Байду номын сангаас
θ∞ =
∆t ∞ ； t0
t 0 为初始温度（℃） 。
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系 统 仿 真 学 报 2002 年 6 月
初散 1
初散 2
涡轮 冷却器 回热器 次散
冷凝器
座舱 cabin 图 3 某型号飞机环控系统仿真示意图
(4)
∆p （Pa）分别为：
图 1 换热器单元模块
ρv 2 ∆P = ξ 2 d = d ( 1 −η) o i 式中， η 为除水效率， ξ 为阻力系数。
(8)
2.5 传感器 [5]
目前，我国飞机环控系统上使用的温度传感器，是铂 膜电阻温度传感器。 对铂膜热电阻的瞬态温度平衡方程的小 扰动方程进行无因次化，得到： T dθ =θ∞ −θ dτ mc 式中， T = 为铂膜热电阻的时间常数（1/s ） ； αF (9)
第 14 卷第 6 期 系 统 仿 真 学 报 Vol. 14 No. 6 2002 年 6 月 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION June 2002
文章编号： 1004-731X (2002) 06-0782-03
0. 286
2.4 水分离器
在低压除水和高压除水系统中，都有水分离器这一附 件。 考虑到水分离器在系统中所起到的作用只是除去空气中 含有的游离水，而且一种给定形式和结构的水分离器，其除 水效率在工作范围内变化不大， 或者具有一定的压降和除水 效率曲线，所以在进行系统仿真时，可以假定空气经过水分 离器时没有温降，而且流量不变，只考虑阻力产生的压力降 低和除水效率。 水分离器的出口游离水含量 do （g/kg·da）和气流压降
2.2 涡轮压气机数学模型 [4]
涡轮与压气机是飞机环控系统中的关键附件， 气流经过 它们的时候温度和压力都发生巨大的变化。 涡轮压气机等附 件的过渡过程相对于热交换器等惯性较大的环节而言很短， 近似地应用稳态特性，将压气机和涡轮当作纯比例环节处 理，而不考虑其动态特性。 压气机和涡轮的气流出口温度 Tco (K)、 Tto (K)的计算 方程为分别为： Tco π c −1+ηc = Tin ηc
(5)
式中，ηc 为压气机绝热效率；π c 为压气机压缩比；ηt 为涡 (2) (3) 轮绝热效率； π t 为涡轮膨胀比。 压气机和涡轮的功率 Wc （W） 、 Wt （W）的计算方程 分别为：
Tho =Tw +(Thi −Tw )e − ac Tco =Tw +(Tci −Tw )e
在涡轮压气机组件中，两者的功率必须匹配，即涡轮 的功率输出应该正好为压气机所消耗。根据以上的特性方 程，编写 S 函数，并进行封装，便可得到涡轮压气机的动态 仿真模块。
2.3 管道
管道是环控系统的重要组成部分，其它附件都是通过 管道连接起来的。本文主要研究空气循环系统，因此只考虑 气体管道。管道可以看作是简单的热交换器，仍然采用集总 参数法建立模型。所得的模型控制方程与热交换器的相似， 不再列出。同样，根据方程编写 S 函数，并进行封装得到管 道的仿真模块。
取铂膜电阻值 R 的相对变换
次级热交换器冷却， 再通过回热器、 冷凝器连续冷却， 此时， (10) 其中的水分被冷凝器析出，经过高压水分离器除水以后，部 分干空气成为增压气源，另外一部分则回到回热器冷边，被 次级热交换器来的热空气回热后，进入升压式涡轮膨胀降 (11) 温， 再通过冷凝器冷边，成为干燥的冷空气。 最后分成两路， 分别通向电子设备舱和座舱。 选取的仿真状态点外部输入参 数如表 1 所示。图 3 所示为该环控系统冷路的仿真示意图。 (12)
热（J/(kg·K)） ，m 为质量（ kg） ，λ 为阻力系数， Ac 为散热
以上式中， w 为气流流量（kg/s ） ， c p 为空气定压比
wcc pTout 0.286 (π c −1) ηc
(6) (7)
Wt =ηmηt wtc pTin( 1−π t−0.286)
式中下标 m 表示机械效率。
∆p = P 1− P 2= λ w22 2ρAc2
−a h
Wc =
器气流流通面积(m2)， ρ 为密度（ kg/m3） ，α 为与换热系数 及传热面积有关的系数，下标 w、c 和 h 分别表壁面、冷边 及热边。建立了热交换器的数学模型，就可以进行基于 Matlab 的二次开发。根据方程(1)～(3)，编写热交换器模块 的 S 函数， 然后对 S 函数进行封装， 组成一个单元的子模块， 如图 1，模块的参数输入界面如图 2 所示。一个复杂的多流 程热交换器均可由该子模块来组成， 只要每个单元模块的入 口参数由实际的流动关系来确定， 就可以连接成各种类型的 热交换器。
2 各附件数学模型
2.1 热交换器 [3]
在飞机制冷系统中需要进行传热的场合，多数情况下 采用板翅式热交换器。 建立热交换器的动态模型主要包括两 类方法，即分析法和数值法。分析法和数值法用于系统分析 和设计中，都存在缺陷。后来人们提出了集总参数法的热交 换器动态模型，它将热交换器话分为若干个单元，对每个单 元进行参数集中，使得求解方程大大简化，特别适合于大系 统的仿真分析和控制系统设计。 根据能量守衡和动量守衡方 程得出热交换器的动态数学模型。 方程(1)描述了每个单元壁 温 Tw(K)的变化，方程(2)是每个单元热边和冷边出口处的气 流温度 Tho(K)和 Tco(K)的计算公式。方程(3)用来计算流过换 热器冷、热边的气流压降 ∆p （Pa） 。
R R x = ∆R = − 0 R0 R0 = α0 ( t − t0 ) = α0 t0θ
将(10)代入(9)中可得到 T dx + x = α 0 t0θ ∞ = K 0θ ∞ dτ 则铂膜温度传感器的传递函数为 x (s) K G (s )= = 0 θ ∞ ( s ) Ts +1 式中 K0 为比例系数。
Abstract: According to the working principle, the components' mathematical model of an aircraft environmental system are set up in this paper. Using software Matlab, the simulating modules of components are established. The environmental control system is built including these component modules and the dynamic performance of this system is researched. The predicting and experimental results are in good agreement. This model provides a new approach to simulate the dynamic response of aircraft environmental system. It is helpful for designing and optimizing aircraft environmental control system. Keywords: aircraft; environmental control system; simulation; Matlab 现代飞机环控系统的引气以及冲压空气的温度和压力 都在大范围内变化，因此对环控系统的控制提出很高的要 求。 而目前关于飞机环境控制系统的论述多是建立在稳态数 学模型基础上， 或者是仅考虑系统各部件的热惯性影响的部 件级的仿真模型， 这些都没有真实反映整个系统的动态运行 特性[1]。1 Matlab 是一种面向科学与工程计算的高级语言，具有 极高的编程效率。Matlab 提供的 Simulink 是一个用来对动 态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散 及两者混合的线性和非线性系统。 Simulink 包含有多种仿真 功能模块，另外，利用 S 函数，用户可以定制和创建自己的 通用模块[2]。利用 Matlab 开发飞机环境控制系统的动态仿 真软件，代码编写量少、开发周期短、使用方便。本文开发 了基于 Matlab 的飞机环境控制系统动态仿真软件并对特定 的系统进行了仿真研究。 除水式和高压除水式系统。 不管是何种类型的空气循环制冷系统，都是由一些相 同或相似的附件组合而成的复杂的热力系统。这些附件包 括：热交换器、涡轮冷却器、水分离器、活门、控制机构以 及管道等。这样，对于飞机环控系统的综合仿真建模，就可 以立足于这些附件，通过模块化的方法，建立它们的仿真模 块， 本文就是利用了 S 函数开发了飞机环控系统中各附件的 动态仿真模块， 然后再把各模块通过实际的气流流动关系连 接起来，构成系统进行仿真研究。
Matlab-based Dynamic Simulation of Aircraft Environmental Control System
YANG Feng, YUAN Xiu-gan
（Dept. of Flight Vehicle Design and Applied Mechanics, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China ）
状态点 系统进口 初散 1 冷边 初散 2 冷边 次散冷边 表 1 系统仿真示例的外部输入参数值 温度 流量 含湿量 含水量 /(kg/s) /(g/kg·da) /(g/kg·da) /° C 0.62 401.3 0 0 1 44.9 0 0 0.73 44.9 0 0 1 44.9 0 0 压力 /(kPa) 69.0 101.3 101.3 101.3