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，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。

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IN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。

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。